2.2. Развитие пожара до полного охвата пламенем закрытого помещения

Понятие пожара в закрытом помещении используется для описания пожара, который ограничен комнатой или аналогичным закрытым помещением внутри здания. Безусловно, важную роль в развитии рассматриваемого явления играют общие размеры помещения. Характер пожара в вытянутых помещениях или в весьма значительных пространствах (>1000 м³) будет зависеть в большей мере от геометрии ограждения.

В начальный период, следующий за зажиганием, характер пожара будет аналогичен характеру пожара в условиях открытого пространства. При наличии возможности нарастания огня, что может быть обусловлено либо распространением пламени над вспыхнувшим предметом, либо распространением пламени на соседние объекты, пожар достигнет этапа, на котором на развитие пожара начнет влиять ограничение, накладываемое конечностью пространства помещения. При достаточной вентиляции помещения, позволяющей обеспечивать дальнейшее разрастание масштаба пожара, его дальнейший характер может быть описан с помощью схемы зависимости средней температуры внутри помещения от времени (рис.2.7.). (Полезнее и более реальным оказался бы график зависимости полной скорости горения от времени, хотя форма его была бы подобной форме графика, представленного на рис. 2.7.).

Рис. 2. 7. Развитие пожара в помещении, выраженное в виде зависимости средней температуры газа от времени. Пунктирной линией обозначено уменьшение горючего материала перед достижением полного охвата помещения пламенем 1 - период нарастания;

2 - полный охват помещения пламенем; 3 - полностью развитый пожар; 4- период затухания пожара

Чисто схематически рис. 2.7. показывает, что пожар в помещении можно представить тремя этапами.

1. Этап нарастания или начальный этап пожара до полного охвата помещения пламенем; на этом этапе средняя температура незначительна, и пламя существует в окрестности очага.

2. Этап полностью развитого пожара или пожара, полностью охватившего помещение; на этом этапе горят все горючие предметы в помещении, пламя заполняет весь объем.

3. Этап затухания, на этом этапе пожара средняя температура снижается до уровня, который составляет 80 % пикового значения.

Несмотря на низкую среднюю температуру на первом этапе пожара, внутри и вокруг зоны горения местные температуры достигают значительного уровня. В течение периода нарастания, пожар увеличивает свои размеры, сначала достигая, а затем, проходя момент, при котором значительную роль начинает играть взаимодействие с границами помещения. Переход к полностью развитому пожару (этап 2) назван этапом полного охвата помещения пламенем, при этом пламя быстро распространяется от области местного горения на все горючие поверхности внутри помещения (объема). В обычных условиях переход этот непродолжителен по сравнению с длительностью основных этапов пожара, но он часто рассматривается как поворотное событие, подобное тому явлению, каким является зажигание.

На этапе полностью развитого пожара интенсивность тепловыделения достигает максимума и угроза соседним помещениям и объектам наибольшая. Пламя может вырываться через окна, двери и технологические проемы, что приводит к распространению пожара на остальную часть здания. Это распространение может носить внутренний (через открытые дверные проемы), либо внешний характер (через окна). Кроме очевидной угрозы жизни оставшимся в здании людям на данном этапе может произойти разрушение конструкций, что в свою очередь может привести либо к частичному, либо полному обрушению здания. В период охлаждения (этап 3) интенсивность горения уменьшается по мере того, как в составе горючих веществ все меньше и меньше будет оставаться летучих продуктов. Это приведет к тому, что пламя прекратится, образовав после себя массу тлеющих в золе углей, которые будут продолжать гореть в течение некоторого времени, в результате чего будут поддерживаться высокие местные температуры.

Понимание характера этапа пожара до полного охвата пламенем помещения имеет прямое отношение к обеспечению безопасности людей, находящихся в здании. Если пожаром полностью охвачено одно помещение, то создается непосредственная угроза для тех людей, которые находятся в остальной части здания. Значение различных событий последовательно происходящих во время пожара, можно представить в форме неравенства:

(2.1.)

Где: - время, прошедшее с момента воспламенения до момента, когда пожар был обнаружен; - длительность задержки, т.е. время от момента, когда пожар был замечен, до момента начала эвакуации людей;— время, необходимое для перехода в безопасное место;- время (от момента воспламенения), за которое пожар принимает такие размеры, которые делают условия пребывания человека в рассматриваемом месте неприемлемыми.

Время до момента автоматического обнаружения пожара () можно уменьшить, причем в некоторых случаях весьма значительно, тогда успех эвакуации зависит от нарастания параметров опасных факторов пожара, т.е. от.

Таким образом, время полного охвата помещения пламенем является важным фактором определения пожароопасности данного помещения. Чем больше это время, тем больше шансов для своевременного обнаружения пожара и принятия мер по его ликвидации (как вручную, так и с помощью автоматических средств), а также для эвакуации людей в безопасное место.

После того, как локальное воспламенение перешло в устойчивое горение, дальнейший процесс может пойти по одному из трех направлений.

1. Загоревшийся предмет сгорит полностью, и пожар прекратится, не распространившись на другие изделия из горючего материала, это имеет место, в частности, при условии, если первый загоревшийся предмет находится в изолированном положении.

2. При недостаточной вентиляции пожар может автоматически прекратиться, или горение будет происходить с такой малой скоростью, которая диктуется поступлением кислорода.

3. При достаточном количестве горючего материала и притоке свежего воздуха, пожар может полностью охватить пламенем помещение (объем) комнаты, когда горят все поверхности горючих материалов.

Для большинства горючих веществ и материалов приблизительно 30 % выделяемого пламенем тепла приходится на излучение в окружающую среду, а остальная часть тепла рассеивается за счет конвекции в восходящей струе газа или дыма. Если объект горит в помещении, это тепло не полностью теряется средой, окружающей горючий материал, так как поток дыма и газов отклоняется и скапливается под потолком, который в результате этого нагревается. Если размер площади пожара возрастает настолько, что высота пламени превысит высоту помещения, произойдет расширение пламени до припотолочной струи, что приведет к резкому увеличению теплоотвода к потолку. Это в свою очередь вызовет все возрастающий обратный лучистый тепловой поток от потолка к горючему, так как температура потолка увеличивается. Но слой раскаленного дыма и газов, образовавшихся на раннем этапе пожара, будет накапливаться под потолком и излучать тепло на расположенные внизу объекты со все возрастающей интенсивностью, так как концентрация дыма, толщина слоя и температура будут увеличиваться. В результате этого скорость горения начнет увеличиваться, нарастающая интенсивность лучистого теплового потока, исходящего от припотолочного слоя, будет способствовать распространению пламени за пределы первоначального загоревшегося объекта; рядом расположенные предметы в свою очередь расширят область горения. Максимальная интенсивность горения в ограждениях в три раза превышает значение этой величины при пожаре на открытом месте. При этом время достижения максимума в три раза меньше срока достижения минимума интенсивности при горении на открытом месте. Например, интенсивность горения при пожаре спирта в малом ограниченном пространстве может достигать восьмикратного увеличения по сравнению со значением аналогичной величины для пожара на открытом пространстве.

Принимая во внимание, что ряд признаков определяют начало полностью развитого пожара, понятие полного охвата помещения пламенем можно сформулировать следующим образом:

- переход от локального пожара, к пожару по всему помещению, когда горят все горючие поверхности (пожар, регулируемый пожарной нагрузкой);

- переход от пожара, который регулируется расходом горючего к пожару, который регулируется интенсивностью вентиляции помещения (пожар, регулируемый его вентиляцией);

- внезапное проникание пламени через незагоревшиеся газы и пары, скопившиеся под потолком.

Следует подчеркнуть, что явление полного охвата помещения пламенем надо рассматривать как переход от одного состояния к другому, а не как точное обозначенное изолированное событие.

Во время начального этапа пожара, предшествующего полному охвату помещения пламенем, пожар развивается от места его зарождения, причем процесс горения первоначально проходит так, как это имеет место на открытом месте, но постепенно на ход этого процесса все больше и больше начинает влиять обратный тепловой поток, исходящий из верхних областей помещения. Увеличение интенсивности лучистого теплового потока, действующего на нижние области помещения, в конце концов вызывают быстрое распространение пламени по всем воспламеняющимся поверхностям, и как только это случится, принято считать, что наступил полный охват помещения (ограждения) пламенем.

Длительность начального этапа пожара до полного охвата помещения пламенем обуславливает обеспечение безопасности людей, поэтому существенное внимание должно уделяться параметрам горючих веществ и материалов и условиям вентиляции, которые влияют на скорость нарастания опасных факторов пожара.

Вот некоторые из них:

1. Влияние формы помещения на значение величинынезначительно.

- время, находимое для того, чтобы пламя охватило верхнюю поверхность горючей нагрузки в ограждении.

2. несколько зависит от размера вентиляционного проема и непрерывности (в геометрическом смысле) очагов пожара.

3. В большей степени зависит от положения и площади сечения источника зажигания, высоты очага пожара и свойств материала облицовки стен и потолка.

Рассмотрим факторы, имеющие влияние первого порядка на процессы, протекающие на пожаре:

а. Источник зажигания. Время охвата помещения пламенем уменьшается при центральном расположении источника зажигания, так как площадь, охваченная пожаром, на начальном его этапе в этом случае нарастает быстрее. Подобно этому, большая площадь сечения источника зажигания сокращает время , так как в момент зарождения пожара в процессе горения вовлечена и большая площадь очага пожара.

б. Высота очага горючего материала. При высоком расположении очага пожара, пламена достигают потолка быстрее, тем самым, способствуя распространению пожара на раннем этапе по возгораемым поверхностям.

в. Средняя плотность горючего материала. По штабелям с большим шагом расположения брусьев в рядах, пожар распространяется быстрее, так как диаметр пожара увеличивается с большей скоростью и полный охват помещения пламенем наступает гораздо раньше. Применительно к реальному пожару это соответствует распространению пламени между соседними предметами с низкой теплоемкостью.

г. Материал облицовки стен и потолка. Хотя возгораемый облицовочный материал уменьшает время, необходимое для полного охвата помещения пламенем, но это не самая важная переменная. При полномасштабном пожаре в помещении при центральном расположении источника зажигания горючая облицовка стен не охватывается пламенем до тех пор, пока пламя пожара не коснется потолка.

Важно знать факторы взаимного влияния. Самым важным из таких факторов является взаимное влияние положения источника зажигания и характера облицовочного материала. Время полного охвата помещения пламенем резко уменьшается, если облицовочный материал является возгораемым и охватывается огнем в результате непосредственного зажигания от источника воспламенения, расположенного в углу. Аналогично этому имеет место взаимодействие, хотя менее ярко выраженное, между двумя другими переменными: между высотой очага и его средней плотностью.

Дополнительный фактор, который может влиять на время перехода к полному охвату помещения пламенем, является тепловая инерция пола, потолка и стен помещения. Время, необходимое для полного охвата помещения пламенем зависит от плотности материала облицовки стен, как это видно по данным, приведенным в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Материал поверхности стен	Плотность, кг/м³	T охв, мин
Кирпич	1600	23,5
Легкий бетон А	1360	23
Легкий бетон Б	800	17
Асбестовое покрытие	320	8,0²
Волокнистая теплоизоляционная плита	~ 300	6,75

Если предмет, загоревшийся первым, будет не в состоянии выделить (и некоторое время поддерживать) необходимое тепло для обеспечения перехода к полному охвату помещения пламенем, то для доведения пожара до полного охвата помещения пламенем потребуется вовлечение в процесс других очагов пожара. Только таким путем может быть увеличена скорость горения. Процесс возгорание рядом находящегося предмета будет зависеть от расстояния до уже загоревшегося предмета. Он может располагаться достаточно близко и иметь подходящую для непосредственного воздействия пламени конфигурацию, но если это невозможно, то пожар может перекинуться на соседний предмет только за счет теплоизлучения.

Лучистый тепловой поток, рожденный огнем, охватившим обычное обитое кресло, может вызвать возгорание хлопчатобумажной ткани на расстоянии 0,15 м, в то время как горящий гардероб может вызвать возгорание такой же ткани на расстоянии 1,2 м. Огонь не перебросится от изолированного обитого кресла к соседнему, если они будут удалены друг от друга на расстояние более 30 см.

Лучистый тепловой поток, действующий на определенном расстоянии, зависит от интенсивности горения. Быстро горящие предметы могут обеспечить значительные лучистые тепловые потоки на расстоянии до 1 м от передней кромки пламени.

Рис. 2. 8. Нарастание пожара от момента окончания начального периода зарождения пожара () для двух коэффициентов нарастания пожара:0,1и0,01.

Однако нарастание пожара от первоначально возгоревшего предмета может произойти путем непосредственного распространения огня на соседние предметы. Скорость нарастания пожара частично увеличится, если пожар перекинется на вертикальные поверхности помещения или если существует конфигурация, которая способствует сохранению тепла в окрестности горящих поверхностей, например при перекрестном тепловом излучении. Примерами такой ситуации могут быть возгорание под кроватью, или в углу, или между двумя близко расположенными предметами мебели, такими, как кровать или гардероб. Важную роль могут играть и другие факторы: термопластики могут плавиться и течь, создавая пожары жидких продуктов, которые могут распространиться на другие возгораемые предметы. При определенных условиях загоревшиеся потолочные плиты, изготовленные из расширяющегося полистирола, могут расплавиться и потечь, образуя дождь из горящих капель расплавленного полимерного материала, падающих на поверхности, расположенные ниже. Эти явления вполне понятны, но количественную оценку дать им трудно.

Несмотря на эти неопределенности, было установлено, что скорости развития многих пожаров от первоначального периода зарождения пожара аппроксимируются законом параболы:

(2.2.)

где- коэффициент нарастания пожара, кВт/с²; - длительность первоначального периода зарождения пожара, с.

Схематическое представление об этом можно получить по рис. 2.8. Коэффициент лежит в диапазоне отдля очень медленно развивающихся пожаров, до 1 кВт/с² для очень быстро развивающихся пожаров. Длительность начального периода зарождения будет зависеть от характера источника зажигания и его расположения.

После наступления полного охвата помещения пламенем внешние поверхности всех горючих предметов в помещении, где возник пожар, будут охвачены огнем, интенсивность тепловыделения будет нарастать, достигая максимума, что приведет к высоким температурам (см. рис. 2.8), которые могут достигать 1100°С. Высокие температуры будут поддерживаться до тех пор, пока интенсивность образования воспламеняемых летучих продуктов не начнет уменьшаться в результате истощения горючих веществ. Именно в этот период полностью развитого пожара может произойти обрушение элементов здания, обусловленное значительными термическими напряжениями. Обрушение элементов конструкций может вызвать местное или общее разрушение конструкции здания. Термин «разрушение» относится также к ограждениям помещения, и их разрушение означает возможность переброса пожара в соседние пространства путем проникновения в них пламени или мощных тепловых потоков. По этой причине обоснована концепция разделения здания на пожарные отсеки. Цель такого разделения- удержание пожара в пределах, позволяющих ликвидировать его прибывающими пожарными подразделениями. При таком подходе здание делится на пожарные отсеки, разделенные обычными стенами или противопожарными перегородками, обладающими соответствующей огнестойкостью.