Основні закономірності газообміну при пожежі в огородженні

Газообмін – це рух конвекційних газових потоків, що виникає під дією сил, обумовлених градієнтом тиску.

Градієнт тиску, а, отже, рух газового середовища всередині приміщення, створюється за рахунок:

1.      різниці температур газових потоків (нагрітих продуктів згоряння всередині приміщення і холодного повітря назовні);

2.      штучного регулювання повітрообміну в помешканні;

3.      вітрових навантажень;

4.     наявності самої пожежі.

Перші три фактори не залежать від наявності пожежі і існують в будь-якому приміщенні, проте їх наявність сприяє поширенню диму на сусідні приміщення.

Так різниця температур газових потоків всередині і зовні будівлі обумовлює різницю їх тисків і появу ефекту “димової труби”. Завдяки цьому ефекту газові потоки всередині будівлі можуть рухатися вгору чи вниз в залежності від того більша чи менша його температура в порівнянні з температурою навколишнього повітря. Крім того, тиск повітря змінюється з висотою будівлі.

Гідростатичний напір, що призводить до руху повітря в помешканні, навіть при відсутності пожежі визначається рівнянням:

У помешканні висотою 5 метрів гідростатичний тиск складе ΔР = 4,3 Па, у сходовій клітині висотою 30 метрів ΔР= 25,95 Па.

Вітрові навантаження можуть викликати зміну поля тиску навколо будівлі в цілому. При цьому може змінитися характер розподілу тиску з навітряної і підвітряної сторони будівлі.

Характер прямування повітряних потоків має вид (рис. 9.6):

Рис. 9.6

Всі будівлі мають достатню кількість щілин, через які проникає вітер і сприяє руху газових потоків всередині приміщення. Із навітряної сторони будівлі утвориться надлишковий тиск, а з підвітряної сторони тиск зменшується. Значення перепаду тиску пропорційно квадрату швидкості вітру.

де    ν_віт - швидкість вітру, м/с;

Т_пов - температура навколишнього повітря, К.

При швидкості вітру 7 м/с і температурі 20^оС надлишковий вітровий тиск складе 29,46 Па.

Сучасні виробничі і адміністративні будівлі обладнані штучними системами припливно-витяжної вентиляції. При роботі систем вентиляції створюються повітряні потоки, що можуть, як сприяти, так і перешкоджати поширенню пожежі. Для видалення продуктів горіння проектуються системи видалення диму.

Найбільш суттєвим фактором є протікання реакції горіння. Пожежа в помешканні призводить до значного підвищення температури повітря, що у свою чергу збільшує рушійну силу газообміну. При пожежі в огородженні газообмін обмежений будівельними конструкціями, за рахунок чого зона задимлення з часом збільшується і за певних умов поширюється на сусідні приміщення, в яких процесу горіння ще немає. Перепад тиску, що виникає, може підсилити прямування диму в інші частини будівлі.

При виникненні горіння в замкнутому об’ємі приміщення пожежа спочатку розвивається за рахунок повітря, яке знаходиться в вільному об’ємі приміщення. Над осередком горіння виникають конвекційні потоки нагрітих продуктів горіння і повітря, які за рахунок підвищеної температури мають низьку густину і під впливом гравітаційних сил піднімаються вгору, створюючи при цьому деяке розрідження поблизу зони горіння. Холодне повітря підсмоктується димогазовим струменем в нижній частині колонки. На початковій стадії, коли осередок горіння має малі розміри, газовий потік не досягає перекриття, бо охолоджується за рахунок теплообміну і змішування з холодним повітрям.

При збільшенні площі горіння потужність теплового потоку збільшується, газове середовище над осередком горіння нагрівається до більшої температури, утворюються потужні конвекційні потоки, які накопичуються в верхній частині приміщення і створюють надлишковий тиск. В нижній частині колонки відбувається підсос повітря, взаємодія його з горючою речовиною, отже тут створюється розрядження.

При малій висоті приміщення гарячі потоки можуть досягати перекриття й омивати його. Продукти горіння, які остигають за рахунок теплопередачі в стелю та в стіни приміщення, опускаються униз, що призводить до циркуляції всієї маси газів у помешканні. Безперервна циркуляція газових потоків приводить до підвищення середньооб’ємної температури в приміщенні і поступового заповнення всього приміщення продуктами горіння (рис. 9.7).

Рис. 9.7

Характер руху повітряних мас залежить від конфігурації приміщення, наявності отворів, а також їх взаємного розташування.

Якщо газообмін здійснюється через декілька отворів, які розташовані на різному рівні, їх можна умовно розділити на усмоктувальні (через які надходить свіже повітря в приміщення) і вихідні (через які розігріті продукти згоряння виходять в атмосферу).

Характер прямування газових потоків при цьому може мати вид (рис. 9.8):

Рис. 9.8

При газообміні через один отвір, наприклад відкриті двері, вікно або декілька отворів, які знаходяться на одному рівні, процес підсосу повітря і викиду здійснюється безпосередньо в тому самому отворі. На припливу працює тільки нижня частина отвору.

При цьому спостерігається цілком інший характер прямування газових потоків (рис. 9.9).

Рис. 9.9

Густина продуктів горіння і їх тиск в нижній і верхній частині приміщення відрізняється від густини і тиску навколишнього повітря. Але на деякій висоті від рівня підлоги фізичні параметри газового середовища в приміщенні (густина) відповідають фізичним параметрам повітря поза приміщенням. Відповідно і тиск газового середовища буде таким же, як і тиск повітря поза приміщенням. Цю площину прийнято назвати нейтральною зоною або площиною рівних тисків.

Нейтральною зоною називається уявна площина в приміщенні, рівнобіжна підлозі, у точках якої тиск продуктів горіння дорівнює тиску зовнішнього повітря.

По мірі розвитку пожежі положення нейтральної зони змінюється.

Діапазон зміни тиску при пожежі в помешканні буде визначатися вираженням

де      Т_пг - температура продуктів горіння в помешканні, К;

Т_о - температура повітря поза приміщенням, К;

S_отв - площа отвору, м²;

S_пож - площа пожежі, м²;

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