9.2 Критичний час розвитку пожежі в огорожі.

9.3 Основні положення інтегральної моделі температурного режиму.

9.4 Визначення температурного режиму розрахунковим методом.

9.5 Основні положення зонної моделі температурного режиму.

9.6 Визначення висоти нейтральної зони. Методи регулювання газообміну на пожежі.

9.1 Динаміка розвитку пожежі в огорожі

Під розвитком пожежі розуміють зміну основних параметрів пожежі в часі та просторі. Найголовнішими параметрами пожежі в приміщенні, які змінюються з часом, є площа пожежі, температура пожежі, інтенсивність задимлення на пожежі. Ці параметри можна не тільки виміряти, але і спрогнозувати їх зміну за допомогою розрахунків.

Розглянемо як змінюються параметри пожежі в часі та просторі з моменту виникнення загоряння до виходу на стаціонарний режим вільного розвитку пожежі (тобто без гасіння) в приміщенні звичайного типу. Середньостатистичне приміщення звичайного типу має в якості пожежного завантаження тверді горючі матеріали (деревина або вироби із деревини), які рівномірно розподілені по поверхні підлоги, початкова температура в приміщенні складає 20^оС, висота стелі від 3 до 6 м, площа підлоги 30–40 м², площа отворів складає приблизно 10% площі підлоги.

Як було сказано раніше, розвиток будь-якої пожежі в часі можна умовно розділити на три стадії: початкову, основну і кінцеву.

На початковій стадії можна виділити три фази. Перша фаза – перехід загоряння в пожежу. Більшість пожеж, пов’язаних з горінням ТГМ, починається з виникнення горіння при дії джерела запалювання на невеликій ділянці. Після цього горіння повільно поширюються по поверхні горючого матеріалу. При збільшені площі горіння інтенсивніше прогріваються та розкладаються матеріали, збільшується інтенсивність конвекційних потоків повітря та продуктів горіння, повільно змінюється середньооб’ємна температура. Тривалість початкової фази залежить від місця виникнення загоряння, розташування пожежного завантаження, розмірів приміщення, виду горючого матеріалу, умов газообміну. Як правило, перехід загоряння в пожежу триває перші 3-5 хвилин.

Після цього починається друга фаза – об’ємний розвиток пожежі. Поступово збільшується температура газового середовища в приміщенні, а отже збільшується інтенсивність процесу попереднього прогріву, розкладення та виділення горючих летючих продуктів, які обумовлюють збільшення об’єму зони горіння. Швидкість поширення пожежі, а, отже, і площа пожежі теж збільшуються, що, в свою чергу, приводить до росту температури пожежі (до 250-300^оС). Полум’я заповнює практично весь об’єм приміщення, а процес поширення полум’я відбувається вже не по поверхні ТГМ, а під впливом конвекційних та променистих потоків тепла займаються матеріали, які знаходяться окремо від зони горіння, тобто поширення відбувається дистанційно.

Приблизно через 10 хвилин при температурі 300^оС руйнується скління. Починається третя фаза розвитку, коли всі параметри пожежі найбільш змінюються і досягають максимальних значень. Гарячі продукти горіння витікають з приміщення, продукти розкладу можуть виходити за межі приміщення та там догоряти (вогонь виривається з проємів назовні). Стрибком змінюється інтенсивність газообміну. Під інтенсивністю газообмінурозуміють кількість повітря, що поступає в одиницю часу до одиниці площі пожежі. Холодне повітря інтенсивніше поступає в зону горіння. При цьому температура в приміщенні може на короткий час знизитися, але за рахунок збільшення повноти згоряння, лінійної швидкості поширення пожежі та швидкості вигоряння пожежного завантаження теплота пожежі різко збільшується, а, отже, і температура газового середовища в приміщенні (температура пожежі) підвищується до 600-800^оС. Задимлення досягає максимального значення.

Після 20-30 хвилини розвитку в залежності від розмірів приміщення починається друга основна стадія – розвинена пожежа, коли всі параметри пожежі стабілізуються. Ця фаза може тривати ще 20-30 хвилин в залежності від пожежного завантаження.

Третя кінцева стадія пожежі, догоряння, характеризується поступовим зниженням температури та задимлення, так як основна частина горючих матеріалів вже вигоріла.

На поверхні деревини утворився вуглецевий шар товщиною 5-10 мм, який перешкоджає подальшому прогріву матеріалу в глибину і виходу летючих горючих компонентів термічного розкладу. Інтенсивність надходження горючих газів в зону горіння зменшується, а, отже, зменшується інтенсивність гомогенного горіння. Це призводе до зміни всіх інших параметрів розвитку пожежі.

В приміщенні накопичилась велика кількість продуктів горіння, а концентрація кисню впала до 16-17%. Гомогенне горіння переходить в тління. Площа пожежі при цьому не змінюється, але площа горіння скорочується.

Зміну основних параметрів пожежі з часом розвитку пожежі можна представити у вигляді графіків

Як правило гасіння пожежі особовим складом починається через 20-30 хвилин вільного розвитку, коли всі параметри пожежі вже досягли свого максимального значення. Отже при проведенні бойових дій необхідно враховувати той факт, що на будівельні конструкції вже певний час впливають високі температури, що негативно впливає на їх несучу здатність.

Так, в 1990 році при пожежі на Сирдарьінськой та Екібастузькой електростанціях вже через 30 хвилин після виникнення пожежі обрушився дах в машинному залі на площі більше 10 000 та 17 000 м².

Для зниження пожежної небезпеки більшості промислових об’єктів необхідно оснащати приміщення автоматичними системами пожежної сигналізації та гасіння пожежі, які включаються на перших фазах розвитку пожежі, а, отже, якщо і не повністю загасять горіння, то не дають розвинутися пожежі до її максимального розвитку.

Для уніфікації методики визначення вогнестійкості будівельних конструкцій на підставі проведення натурних дослідів пожеж у житлових і промислових будинках була запропонована залежність температури пожежі від часу його розвитку

t = 345 lg (8τ +1)

де      τ - час розвитку пожежі, хв.

Такий температурний режим називається - стандартним режимом. Стандартний температурний режим відбиває тільки експериментальні дані і тільки за умови, що пожежа розвивається як необмежена.

Фактори, що впливають на температурний режим пожежі

Температура пожежі в огорожі істотно залежить від множини факторів. У загальному випадку температура пожежі в огорожі є функцією:

об’єму приміщення,

часу розвитку горіння,

площі пожежі,

кількості пожежного навантаження,

виду горючої речовини (теплоти згоряння речовини, масової швидкості вигоряння речовини, швидкості поширення горіння);

інтенсивність газообміну;

тепловтрат на нагрівання конструкцій,

теплоємності і температури повітря, що надходить в приміщення і т.д.

Динаміку розвитку пожежі визначає тепловиділення, що супроводжує процес горіння, тобто теплота пожежі.

теплота пожежі – це кількість тепла, що виділяється в зоні горіння за одиницю часу.

Q_пож = η* v_m *S_nож * Q_н^/

де:   η- коефіцієнт повноти згоряння, який в свою чергу залежить від умов газообміну;

v_m - масова швидкість вигоряння (кг/(м²* хв));

S_nож  - площа пожежі, м² ;

Q_н^/ - теплота згоряння, кДж/кг.

Масова швидкість вигоряння та площа пожежі, яка визначається лінійною швидкістю поширення, залежать від часу розвитку пожежі, температури та інтенсивності газообміну. Приведені швидкості вигоряння та поширення можна представити у вигляді:

v_m = (a₁T_п + b₁I_г) v^o_m

v_l = (a₂T_п + b₂I_г) v^o_l

де      a₁, a₂ , b₁, b₂ – емпіричні коефіцієнти, чисельне значення яких визначається дослідним шляхом для кожного горючого матеріалу;

T_п – середнє значення температури пожежі;

I_г – інтенсивність газообміну;

v^o_m, v^o_l – масова та лінійна швидкості горіння даного горючого матеріалу, які визначені при стандартних умовах.

Таким чином, кількість тепла, що виділяється на пожежі, а, отже і температура пожежі істотно залежать від організації вентиляції між приміщенням і зовнішнім середовищем. Зв’язок між температурою пожежі і інтенсивністю газообміну дуже складний і залежить від конкретних властивостей речовини, що горить, та особливостей приміщення, де відбувається пожежа.

Якщо повітрообмін у приміщення не обмежений, то інтенсивність горіння збільшується, зростає температура в зоні реакції горіння. З іншого боку, це повітря має достатньо низьку температуру, тому температура пожежі буде падати. Який саме з цих двох факторів буде найбільше суттєвим, залежить від конкретної ситуації.

Треба враховувати, що продукти неповного згоряння утворяться незалежно від коефіцієнта надлишку повітря (у верхній частині дифузійного полум'я горіння завжди відбувається при нестачі кисню.

Коефіцієнт надлишку повітря можна визначити розрахунком з умови, що

де      G_п - фактична витрата повітря, м³/хв.;

G_п^о - теоретично необхідна витрата повітря, м³/хв.;

Теоретично необхідна витрата повітря визначається як

де      S_пож - площа горіння, м²;

v_m - масова швидкість вигоряння, кг/(м² хв.);

v_п^о - питомий об’єм повітря на згоряння кг речовини, м³ /кг;

ρ_п - густина повітря, кг/м³.

Фактична витрата повітря визначається як

де      μ - коефіцієнт витрати отвору,

ω_п - швидкість прямування повітряного потоку, м/хв.;

S_прит - площа приточного отвору, м².

Виходячи з розглянутих умов, коефіцієнт надлишку повітря при пожежі в огорожі визначається як

Пожежі в огорожі по умовам їх розвитку можна умовно поділити на:

1. Пожежі, що регулюються пожежним навантаженням, (ПРН) - параметри горіння визначаються кількістю та типом пожежного завантаження, для повного згоряння якого окислювача достатньо;

2. Пожежі, що регулюються вентиляцією, (ПРВ) - параметри горіння визначаються інтенсивністю газообміну, оскільки окислювача не вистачає для повного згоряння пожежного навантаження.

Якщо умови газообміну такі, що пожежу можна віднести до ПРН, то температура пожежі майже така, як при пожежі на відкритому просторі. Збільшення відношення S_прит /S_пож веде до збільшення швидкості росту температури та її значення. При зменшенні відношення S_прит /S_пож температура пожежі дещо падає, але різко підвищується тривалість пожежі.

Критерієм, за яким можна визначити тип пожежі, є кратність газообміну. Кратність газообміну n – відношення кількості повітря, що теоретично необхідно для повного згоряння пожежного завантаження в приміщенні, до кількості повітря, що поступає в дане приміщення.

n = V^o_n / V_n

Якщо n ≤ 15, в приміщенні можлива ПРН, при n ≥ 20 – ПРВ. Якщо n потрапляє в проміжок між 15 і 20, в приміщенні буде розвиватися перехідний режим пожежі.

Визначення типу пожежі у приміщенні

Для визначення типу пожежі у приміщенні необхідно:

1. Визначити об’єм приміщення V_прим;

2. Розрахувати наведену висоту отворів приміщення h, м:

де      S_i- площа і-го отвору приміщення, м²;

h_i - висота і-го отвору приміщення, м.

3. Визначається ступінь проємності приміщення П:

П = S_проєму V_прим. h /S_{підлоги}

3.1. для приміщень об’ємом менш 10000 м³ (V_пр< 10000 м³):

3.2. для приміщень об’ємом більш 10000 м³ (V_пр> 10000 м³):

4. Визначається кількість повітря, необхідного для повного згоряння 1 кг пожежного навантаження:

де      v_o - питомий об’єм повітря, необхідний для повного згоряння 1 кг і-го горючого матеріалу (пожежного навантаження), м³/кг;

Р_i – пожежне завантаження окремого горючого матеріалу (речовини) у приміщенні, кг.

4. Визначається питоме критичне пожежне завантаження q_кр (кг/м³)

6. Розраховується питоме значення пожежного завантаження q_п (кг/м³)

7. Визначається тип пожежі у приміщенні за умовами:

q_кр > q_п – пожежа, що регулюється пожежним навантаженням (ПРН);

q_кр ≤q_п – пожежа, що регулюється повітряним обміном (ПРВ).

Визначення типу пожежі позволяє прогнозувати температурний режим пожежі, час розвитку пожежі та інші параметри його розвитку.

8. Розраховується максимальна температура пожежі та час досягнення максимальної температури (t_мах, хвилин):

Для ПРН:

Для ПРВ

В загальному вигляді зміна температурного режиму пожежі з початку виникнення пожежі до її припинення визначається рівнянням

де      Т_τ - температура пожежі на час розвитку t, К;

         Т_мах – максимальна температура пожежі, К;

Т_о – початкова температура, К;

τ _мах- час досягнення максимальної температури, хвилин;

τ - поточний момент часу, хвилин.