2.4.1. Краткие сведения о физике развития очага загорания

При определенной скорости окислительного процесса развивающегося очага горения, выделяющаяся энергия не успевает рассеиваться в окружающем пространстве. Это способствует интенсивному нагреву окислителя и горючего вещества, в результате которого может начаться необратимый процесс окисления, продолжающийся и без наличия источника тепла. Если условия окисления таковы, что вся выделившаяся энергия идет на поддержание окисления с той же интенсивностью, то процесс будет протекать при определенном уровне температуры. Такое явление наблюдается при тлении.

Если количество выделяющегося тепла превышает необходимое для поддержания окисления при данной температуре, интенсивность окисления начнет возрастать, настолько, что появляется пламенное горение, т. е. газификация горючего вещества и процесс окисления уже происходит вне него. При этом обычно достигается высокая температура пламени и скорость выгорания вещества.

Таким образом, загорание, возникающее от появления источника тепла и вызывающее тление, через определенный промежуток времени и при соответствующих условиях может перейти в пламенное горение. По статистическим данным, многие пожары развиваются из микроили минитепловых источников, внесенных в огнеопасную среду извне или же образованных в ней.

К микротепловым источникам относятся искры, раскаленные частицы металла и т. д., к минитепловым - горящая сигарета, перегретая электропроводка (от работы с перегрузкой или при наличии некачественных соединений) и т. д. Возможны самовозгорания некоторых видов масел, сульфидов железа, угля, древесины, некоторых видов пылей и т. д. У легковоспламеняющихся жидкостей и газов переходная стадия медленного теплового развития очага (тление) отсутствует, т. е. загорание и переход в открытое пламенное горение происходят мгновенно по всей горючей поверхности.

Наибольшее распространение в обиходе человека имеют целлюлозосодержащие материалы. Для некоторых из них свойственны следующие фазы развития загорания:

1.Локальная температура ниже 200°С, идет поглощение тепла (эндотермическая фаза) с большим окислительным процессом, выделяются негорючие газы (такие как окись углерода и двуокись углерода), пары воды.

2.Локальная температура 200...300°С, идет экзотермическая реакция без воспламенения, выделяются продукты термического разложения (аэрозоли).

3.Локальная температура 300...500°С, идет активный пиролиз с выделением продуктов термического разложения (аэрозоли), тепла.

4.Локальная температура выше 500°С, выделяются горючие газы, появляется открытое пламя.

При воздействии тепла на твердые горючие материалы в них начинает развиваться процесс тления, происходит термическое разложение вещества, образуется дым. Тепловые потоки разносят дым и газообразные продукты в окружающее пространство. Развитие очага до образования открытого пламени горения приводит к снижению выделения дыма, так как образующиеся при этом продукты в основном сгорают в открытом пламени.

Из сказанного видно, что на всех фазах возникновения пожара имеются информационные факторы, характеризующих как сам очаг горения, так и изменение свойств среды в помещении. Все они в той или иной мере могут быть использованы для обнаружения загорания. Так как координаты очага возгорания неизвестны заранее и средства обнаружения обычно находятся от него на некотором расстоянии, информационные факторы принято разделять на группы в зависимости от их инерционности.

К первой группе относятся факторы, не связанные с процессом движения и распространения в помещении продуктов горения.

Ко второй группе относятся факторы, связанные с процессом движения в помещении газовоздушной смеси от очага горения.

Параметры первой группы

Спектр излучения очага горения. Очаг горения является источником электромагнитного излучения простирающегося в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного (0,2…20 мкм). Спектральный состав излучения и его интегральная по спектру интенсивность зависят от мощности очага горения, свойств горючего материала и типа горения (тлеющее или пламенное).

Всостав факела входят:

трехатомные газы (двуокись углерода);

зола;

раскаленные и горящие частицы горящего вещества;

сажа;

продукты возгонки сажи при высоких температурах.

Поэтому спектр излучения очага горения является суперпозицией двух спектров: сплошного спектра теплового излучения пламени или тлеющих частиц и линейчатого спектра излучения возбужденных атомов, молекул, радикалов. Наиболее характерными элементами спектра пламени при типовом пожаре являются: резкий максимум на длине волны 4,4 мкм, обусловленный излучением возбужденных молекул двуокиси углерода, образующихся в процессе горения, и полосы с максимумами на длинах волн 2,8 мкм и 6,2 мкм, обусловленные совместным излучением паров воды и молекул двуокиси углерода. Все перечисленные линии являются наиболее перспективными, с точки зрения помехозащищенности, для обнаружения очагов возгорания.

25

При тлеющем горении интенсивность излучения очага горения настолько мала, что достоверное обнаружение его на фоне теплового излучения предметов, находящихся в помещении, практически невозможно.

Диаграмма направленности излучения очага горения. Характер изменения интенсивности излучения от направления (форма диаграммы направленности излучения) зависит от размеров и формы очага горения, размеров и формы пламени.

Флуктуация интенсивности излучения. При развитии загорания интенсивность излучения увеличивается, и при пламенном горении начинает флуктуировать вследствие нестабильности геометрии пламени. Частотный диапазон флуктуаций (от единиц до нескольких десятков герц) зависит от размеров и формы пламени и не зависит от горючего материала. С увеличением площади горения частота "мерцания" пламени уменьшается. По экспериментальным данным получено аналитическое выражение, характеризующее зависимость частоты пульсаций fп от площади поверхности горения Sп:

fп = 24,15 Sп–0,3.

Анализ зависимости амплитуд отдельных гармоник от площади горения показал, что наиболее пригодным для использования в качестве параметра при обнаружении загорания является участок спектра флуктуаций излучения пламени около 12 Гц.

Из сигнала от мерцающего пламени можно выделить постоянную составляющую. На начальной стадии эта постоянная составляющая увеличивается со временем горения и затем этот рост прекращается.

Параметры второй группы.

Возникший очаг горения является источником теплоты, в результате чего над очагом горения возникает конвективный поток, переносящий к потолку помещения продукты горения и теплоту. Следствием этого переноса является изменение характеристик среды под потолком помещения, например, температуры.

"Тепловые" информационные параметры. Перенос к потолку помещения теплоты вызывает там повышение температуры среды. Информативными параметрами загорания, связанными с температурой, являются скорость роста температуры и ее флуктуации, возникающие в силу турбулентного течения газов под потолком помещения. Температурные флуктуации могут быть обнаружены, в частности, при измерениях характеристик флуктуаций интенсивности проходящего через среду излучения.

В начальной стадии развития очага пожара появляется серия тепловых импульсов. Установлено, что время от момента появления первого импульса до момента, когда температура у потолка помещения достигнет среднего значения, составляет несколько минут.

Возникновение заряженных частиц, переносимых газовым потоком к потолку, является характерным признаком загорания.

Выделение газообразных продуктов горения и твердых частиц (дыма). Дым, образующийся при горении материалов, перемешиваясь с воздухом, образует аэрозоль2. Одной из важнейших характеристик аэрозоля является размер частиц, существенно влияющий на его оптические свойства. При этом наиболее информативным

при дальнейшем увеличении размера частиц, r/ 1, рассеяние под большими углами возрастает, а начи-

ная с r/ появляется немонотонность углового распределения (см Рис. 8б).

Известно, что подавляющая масса дыма, образующегося при загораниях, имеет размер частиц, превы-

шающий 0,005мм (т.е. r/ ). Именно такие частицы наилучшим образом обнаруживаются оптическим путем.

2 Аэрозоль – взвесь в газе жидких и твердых частиц.

26