Расследование пожаров / Egorov - Termodinamika v issledovanii pozharov

Г.И. Егоров

Практическое применение законов термодинамики и рекомендации в исследовании пожаров.

Дано краткое теоретическое обоснование основных процессов передачи тепла на пожарах для практического установления очага и причины пожара. С физической точки зрения проанализированы условия образования «очаговых конусов», их виды для возможности последующего определения динамики исследуемого пожара. Содержит сведения о калорийности источников зажигания. Предложены правила и алгоритм исследования пожаров с применением основ логики.

Для практических работников противопожарной службы, преподавателей, слушателей и курсантов пожарно-технических учебных заведений.

Рецензенты: заместитель начальника УГПС ГУВД Челябинской области, полковник внутренней службы Ведерников Г.В. начальник отдела госпожнадзора УГПС ГУВД Челябинской области, подполковник внутренней службы Чистяков В.А.

Егоров Г.И., канд. техн. наук. Практическое применение законов термодинамики и рекомендации в исследовании пожаров. Челябинск: НБС, 2000 г.

ВВЕДЕНИЕ Вопросы исследования пожаров в специальной литературе освещены в ряде

источников. В этих источниках рассматриваются как вопросы теории горения, процессов тепломассообмена, особенностей протекания химических реакций, так и описываются характерные повреждения элементов зданий, конструкций и предметов, дающие основания для установления места нахождения очага пожара, выдвижения и обоснования версии о причастности и калорийности источника зажигания.

Однако, все известные отечественные источники по исследованию и описанию пожаров можно условно разделить на две основные группы. В первой - описываются, преимущественно, теоретические процессы, протекающие на пожарах, без соответствующей логической связи с последствиями повреждений, вызванных опасными факторами пожаров и предстающих перед глазами исследователя (1, 2, 3, 4). Во второй группе, как правило, рассматриваются характерные очаговые признаки, выдвижение и проверка версий о причастности того или иного источника зажигания к причине пожара без достаточно полного теоретического анализа процессов, протекающих во время пожара (5, 6, 7, 8). Вместе с тем имеется специальная литература по исследованию вещественных доказательств (9, 10). В результате из-за такого разграничения информации специалист, исследующий пожар, не всегда прибегает к помощи теории и логики в обосновании очага и причины пожара, так как нередко ему приходится пренебрегать сложными, иногда многоэтажными формулами, а ограничиваться лишь выявлением признаков, трактуемых известной литературой в доступной для практических работников форме.

В предлагаемой работе сделана попытка теоретического обоснования в возможно более доступной форме возникновения тех или иных последствий, наблюдаемых на месте пожара, логического анализа их для принятия решения по очагу пожара и источнику зажигания, ставшего причиной пожара. Вместе с тем, применение теоретических выкладок для исследования пожаров, как показывает практика, помогает специалистам более творчески и плодотворно отработать все возможные версии, а также способствует их профессиональному росту. Описываемый ниже алгоритм проведения исследования пожара проверен практикой, но для специалистов может предлагаться как рекомендуемый с последующей индивидуальной корректировкой.

1.1. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ Энергия излучения возникает за счет энергии других видов в результате

молекулярных и внутриатомных процессов (11).

Носителями энергии в пространстве являются электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Количество энергии излучения, в основном, зависит от физических свойств и температуры нагретого тела. Электромагнитные волны различаются между собой или длиной волны -λ, или частотой - υ, при этом для лучей всех видов скорость v в абсолютном вакууме равна λ x υ =3.108мс-1 .

В зависимости от длины волны лучи обладают различными свойствами, но для теплопередачи наибольший интерес представляют тепловые лучи с λ =0,8....40 мкм.

Каждое тело, расположенное как угодно в пространстве, излучает и поглощает энергию непрерывно, если температура его не равна ОК (-273°С).

При температурном равновесии тел количество отдаваемой энергии излучения будет равно количеству поглощаемой энергии излучения.

Спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн. Однако, спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин волн, поэтому их излучение селективное (избирательное), но носит объемный характер.

Суммарное излучение с поверхности тела (объема) по всем направлениям пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным излучением (Q).

Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется плотностью интегрального излучения тела. Он измеряется в Ваттах на квадратный метр и обозначается:

E = DQ (1.1)

DF

где dQ - элементарный поток излучения, испускаемый элементом поверхности dF. Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать

через себя падающие лучи от другого тела. Если обозначить общее количество энергии излучения, падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная qa, поглотится телом, часть, равная qr, отразится, а часть, равная Qo, пройдет сквозь тело. На основании чего:

Q=QF+QR+QD (1.2)

или

1=A+R+D (1.3)

Величину А называют поглощательной способностью. Она представляет собой отношение поглощаемой энергии излучения ко всей энергии излучения, падающей на тело. Величину R называют отражательной способностью, она является отношением отраженной энергии излучения ко всей падающей. Величину D называют пропускательной способностью, она является отношением прошедшей сквозь тело энергии излучения ко всей энергии излучения, падающей на тело. Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя энергию излучения, A+R= 1.

Если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, то есть A=l, R=0 и D=0, то такую поверхность называют абсолютно черной. Если поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то такую поверхность называют абсолютно белой. В этом случае D=0, А=0, R=l. Когда тело абсолютно прозрачно для тепловых лучей, то D= I, R=0, A=0. Абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, однако, для характеристики реальных поверхностей эти понятия очень важны.

Так, например, кварц непрозрачен для тепловых лучей, но прозрачен для световых и ультрафиолетовых. Оконное же стекло прозрачно для световых лучей, но почти непрозрачно для тепловых и ультрафиолетовых. Белая поверхность (ткань, краска) хорошо отражает лишь видимые лучи, а тепловые лучи поглощает также хорошо, как и темная. Свойства тел поглощать или отражать тепловые лучи зависят, в основном, от состояния поверхности, а не от ее цвета.

Излучать и поглощать энергию могут твердые и жидкие реальные тела конечной длины, а также трех- и многоатомные газы. Так, значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию обладают многоатомные газы, в частности, диоксид углерода СО2, водяной пар ШО, сернистый ангидрид SO2, аммиак NH3, и другие[12].

Излучение и поглощение газов носят объемный характер. Поэтому такие факторы, как размеры и форма излучающего слоя, однородность его температуры, существенны при описании излучения газов. Так как спектры излучения-поглощения газов в отличие от твердых тел носят селективный характер, то для наглядного представления процесса переноса энергии в объеме излучающего газа удобно рассматривать излучение как поток частиц - фотонов, движущихся по прямолинейным траекториям со скоростью света С и обладающих разной энергией Hυ. Часть фотонов «захватывается» молекулами газа, что приводит к повышению энергии газа, то есть его нагреванию. При этом молекулы газа «захватывают» лишь те фотоны, частоты которых отвечают полосам поглощения в спектре газа. Фотоны других частот (энергий) пролетают газовый объем без взаимодействия с веществом. Так осуществляется процесс поглощения лучистой энергии в объеме газа. Одновременно с процессом поглощения лучистой энергии происходит обратный процесс - излучение энергии объема газа.

Рис. 1.1. Коэффициенты теплового излучения для газовых слоев H2O и CO2 бесконечной протяженности.

Вследствие хаотического теплового движения газовых молекул, их вращения, колебаний атомов отдельные многоатомные молекулы газа получают избыток энергии по сравнению со средним его уровнем. Избыток энергии может затем самопроизвольно излучаться в форме «рождающихся» фотонов в окружающее пространство.

На рис. 1.1. представлен характер изменения коэффициентов теплового излучения двух основных составляющих продуктов горения: воды и углекислого газа.

Закон Планка. Интенсивности излучения абсолютно черного тела IsX, и любого реального тела IX зависят от температуры и длины волны.

По мере увеличения длины волны энергия лучей возрастает, при некоторой длине волны достигает максимума, затем убывает. Вместе с тем для луча одной и той же длины волны энергия его увеличивается с возрастанием температуры тела, испускающего лучи (рис. 1.2.).

Планк теоретически установил следующий закон изменения интенсивности излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры и длины волны:

λT

Рис. 1.2. Зависимость энергии излучения от длины волн и температуры тела.

где е - основание натуральных логарифмов; C1=3,74 х 10-16 Вт м2 - первая постоянная Планка; С2= 1,44 х 10 мК-2 - вторая постоянная Планка; λ - длина волны, м; Т - температура излучающего тела, К

Наряду с прочим, из рис. 1.2. видно, что максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн.

Закон Стефана-Больцмана

Стефан в 1879 году установил, что плотность энергии излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Также известно, что в 1884 г. Больцман получил этот закон теоретическим путем, исходя из второго закона термодинамики и допущения существования светового давления.

Закон Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела выглядит в следующем

виде:

Е=δЕ4 (1.5.)

где δ - постоянная излучения Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела; δ=5,77Втм-2К-1

В технической литературе закон Стефана-Больцмана трактуется в более упрощенном виде:

где Cs -коэффициент излучения абсолютно черного тела Сs=5,77 Вт м-2К-1

Все реальные тела не являются абсолютно черными и при одной и той же температуре излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело. Вследствие этого введено понятие серого тела. Под серым излучением понимают такое, которое, аналогично излучению черного тела, имеет сплошной спектр, но интенсивность лучей для каждой длины волны Is при любой температуре составляет неизменимую долю от интенсивности излучения черного тела Isλ.

Плотность интегрального излучения серого тела равна:

Iλ=ε x Isλ (1.7.)

где е - спектральная степень черноты, которая зависит от физических свойств тела

ивсегда меньше единицы.

Втабл. 1.1. приведены значения коэффициентов полного нормального теплового излучения для различных материалов, наиболее часто встречающихся на пожарах.

Коэффициенты полного нормального излучения для различных материалов (11,

12) Таблица 1.1.

Закон Кирхгофа

Отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах, и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой излучательной способностью (полированные металлы). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет наибольшую излучательную способность.

При этом из закона Кирхгофа также следует, что степень черноты серого тела е при одной и той же температуре численно равна коэффициенту поглощения А:

Закон Ламберта.

Энергия, излучаемая телом, распространяется в пространстве с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Этот закон полностью справедлив для абсолютно черного или серого тела, для тел, обладающих диффузным излучением - только в пределах φ=0...60°, а для полированных поверхностей неприменим.

Согласно закону Ламберта количество энергии, излучаемое элементом поверхности dF1 (рис. 1.3.) в направлении элемента dF2, пропорционально произведению количества энергии, излучаемого по нормали dQn, на величину пространственного угла dω и Cosφ, составленного направлением излучения с нормалью.

В связи с этим наибольшее количество энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения, то есть при φ=0°, с увеличением ср количество энергии излучения уменьшается и при φ=90° — равно нулю.

1.2. Конвективный теплообмен

Ведя разговор о конвективном теплообмене на пожаре уместно начать с установления причин появления его. В некоторых литературных источниках отмечается, что нагретые до высокой температуры выделяющиеся в очаге горения продукты сгорания, более легкие по сравнению с имеющимся в непосредственной близости воздухом, поднимаются вверх, а на их место поступает воздух с более низкой температурой. Причем упоминание о теплом воздухе, «стремящемся вверх», и о холодном, «заступающем на его место», встречается не только в популярных книгах, но порой и в учебниках [13].

На самом деле с физической точки зрения все выглядит несколько иначе. Теплый воздух или нагретые продукты сгорания не поднимаются вверх сами по себе, - они

вытесняются вверх опускающимся холодным воздухом. Происходит это по той причине, что, например, воздух при 0°С имеет плотность в 2 раза большую, чем при 300°С [11]. При этом в газовых средах действуют те же самые законы, что и в жидких, когда более плотные вещества стремятся опуститься ниже, нередко частично перемешиваясь граничными слоями с граничными слоями менее плотных.

Рис. 1.3. Изменение количества излучаемой энергии элементом поверхности в зависимости от угла ориентации.

Рис. 1.4, Схема баланса газов в зоне горения

Qвозд. - расход воздуха поступающего в зону горения;

Qвыд. - расход выделяющихся в зоне горения летучих продуктов (газов, паров); Qп.г. - расход продуктов горения

Горящее пламя также имеет меньшую плотность, чем окружающий воздух, поэтому и оно «всплывает» в воздухе вверх [13].

Скорость «всплывания» вверх как продуктов сгорания, так и самого пламени будет зависеть во многом от разности плотностей их и окружающего воздуха, что в значительной степени определяется разностью температур продуктов сгорания - пламени и окружающего воздуха.

Итак, пламя и продукты сгорания на пожаре поднимаются всегда вверх, изменяя свой путь от вертикального только под действием каких-либо влияний со стороны. Вместе с ними по этому направлению передается и тепло.

При этом следует всегда обращать внимание на баланс газов в зоне горения. Схематично это изображено на рис. 1.4.

С практической точки зрения приближенно учитывать баланс газов в зоне горения важно не только по причине определения условий горения при достаточном или недостаточном газообмене (7), но, нередко, и определения возможных стадий прекращения горения на пожаре по той или иной причине. Например, в замкнутом объеме

горение может прекратиться как вследствие прекращения поступления в зону горения кислорода воздуха, так и вследствие прекращения выделения горючих газов и паров (по причине образования экрана, изоляции и т.п.). При этом возможен и случай, когда в условиях затруднения осуществления естественной конвекции газообразные продукты сгорания обволакивают зону горения, подавляют и «душат» процесс горения (14).12________________________________

2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗВИТИЕ ПОЖАРОВ

2.1. Постановка задачи

Развитие пожара в каждом отдельном случае происходит своеобразно в зависимости от планировки и состояния ограждающих конструкций объекта горения, вида, количества и характера распределения пожарной нагрузки, мощности источника зажигания и прочихусловий. Набор всех этих условий на пожарах индивидуален, поэтому описание развития пожара трудно уложить в какие-либо строго описываемые математические зависимости. Однако, на каждом пожаре присутствуют законы химических превращений и теп-ло-массопереноса. Важным становится лишь все наблюдаемые на месте пожара следы воздействий логически проанализировать и разложить на простые составляющие, которые описываются известными законами. Именно поэтому в настоящей главе предлагается порядок динамики развития «усредненного» внутреннего пожара, который с учетом особенностей, присутствовавших на месте горения, может быть «подкорректирован» для установления очага и источника зажигания.

Развитие наружных пожаров в более значительной степени зависит от направления ветра, осадков и других причин, нежели развитие внутренних пожаров, поэтому в учебных целях на них не сделан специальный акцент. Вместе с тем их распространение также подчиняется известным законам тепло-массопереноса при соответствующем учете метеорологических условий.

2.2. Динамика внутреннего пожара

Известно, что для возникновения горения необходимы основные условия: вещества, способные гореть, окислитель и источник зажигания. Во время пожара на процесс горения в разные моменты влияют различные условия, способствующие или препятствующие тому или иному виду передачи тепла.

Итак, начнем описание развития «усредненного» внутреннего пожара.

В первый момент возникновения горения воздух в помещении, где возник пожар, еще не заполнен продуктами сгорания и не представляет большего препятствия для распространения тепловых лучей во все стороны до имеющихся экранов (частей здания, предметов и т.п.). При этом наиболее часто естественные проемы в ограждающих конструкциях отсутствуют (за исключением специально созданных условий благоприятного газообмена на объекте пожара, как-то, открытые двери, окна, нарушенное остекление и т.п.), что не позволяет в этот период проявляться сильному конвективному теплообмену. Даже и при наличии проемов конвективный теплообмен не развит в начальной стадии еще по той причине, что в помещении, относительно богатом окислителем (кислородом), поступающем в зону горения с минимального расстояния при удалении вверх незначительного количества продуктов сгорания, не обволакивающих зону горения и не препятствующих распространению тепловых лучей во все направления.

Таким образом, в начальный момент времени горения доминирующим выступает лучистый теплообмен, при котором соблюдаются все его законы, а именно:

• излучение от очага горения идет беспрепятственно во все стороны одинаково в широком диапазоне длин волн согласно закона Планка;

•при горении излучающее пламя, являясь серым теплом, по своей излучательной способности, максимально близко к абсолютно черному с соответствующей возможностью переноса теплоты согласно закона Стефана-Больцмана;

•конструкции здания, предметы и т.п., расположенные рядом с очагом горения, поглощают падающую на них лучистую энергию в зависимости от своей поглощательной способности согласно закона Кирхгофа и, вследствие того, сколько они способны поглотить падающей энергии и сколько отражают, претерпевают соответствующее изменение (оплавляются, обугливаются, растрескиваются и т.п.);

•в зависимости от своей пространственной ориентации и удаленности от места горения поверхности предметов получают наибольшие изменения, согласно закона Ламберта, при перпендикулярном расположении к тепловым лучам.

Все перечисленные действия законов лучистого теплообмена в начальной стадии важны с той точки зрения, что на практике в очаге первоначального горения они оставляют четко выраженный след, который всегда нужно уметь выделять из всего набора повреждений, вызванных пожаром. Для практики можно набор первоначальных воздействий на окружающие предметы назвать для удобства «правило сферы».

Образование повреждений в виде сферы на месте возникновения первоначального горения целесообразнее начать с анализа находящихся вблизи зоны горения предметов с различными поглощательными (QA), отражательными (QR) и пропускательными (QD) способностями. В зависимости от своих способностей и ориентации в пространстве все окружающие зону горения тела по-разному будут поглощать, пропускать или отражать лучистую тепловую энергию. При этом, чем больше энергии будет поглощено, тем большим изменениям оно должно подвергаться. Из ранее описанного закона Ламберта известно, что общее количество направленной на тело лучистой энергии будет максимальным в перпендикулярных к поверхностям направлениям. Схематично изложенное представлено на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Действие тепловых лучей «по сфере» на окружающие предметы: 1 - с максимальной погло-щательной способностью (QA-max, QD-0);

2 - с максимальной пропус-''• кательной способностью •> (QD-max, 0„-0);

3-е максимальной отражательной способностью (QR-max, 0„-0); 4 - сгораемое вещество

Проанализировав поступление тепла посредством лучистой энергии от зоны горения и близко расположенным и самому горящему предмету, наиболее вероятные повреждения будут наблюдаться в соответствии с рис. 2.2.

Рис. 2.2. Характер повреждений .. . ., предметов по «сфере». Рассеивание тепловых лучей . частицами продуктов сгорания и экранирование дымом v близко расположенных к месту горения предметов.

Итак, нами установлено, что первоначальные повреждения предметов, в зависимости от их ориентации и свойств, происходят «по сфере».

Продолжим «наблюдение» за «усредненным» пожаром далее. По мере выделения продуктов сгорания из зоны горения в процессе пожара, концентрация их в помещении возрастает. Возрастает их концентрация и рядом с очагом горения. Как это влияет на изменение теплообмена на пожаре также видно на рис. 2.2.

Частицы дыма, концентрация которых в процессе пожара у зоны горения возрастает, в первую очередь, начинают рассеивать тепловые лучи с короткими волнами, которые несут значительную часть тепловой энергии согласно закона Планка. Лучи с большей длиной волны рассеиваются частицами продуктов сгорания, взвешенными в воздухе, в меньшей степени, нежели лучи с короткими волнами, но при увеличении концентрации дыма и они не могут пройти через эту взвесь.

В свою очередь, продукты сгорания, в основном, состоят из углекислого газа и паров воды, которые в интервале температур от 0°С, до 800°С имеют наибольшие коэффициенты теплового излучения (рис. 1.1.), а согласно закона Кирхгофа - и максимальную поглощательную способность. Особенно это относится к парам воды, значение εr которой равно 0,7. Таким образом, поглощая лучистую энергию, продукты сгорания получают значительное повышение температуры, а это, в свою очередь, ведет к снижению их плотности и более быстрому «всплыванию» вверх. Тепло, ранее передаваемое лучистым потоком близко расположенным предметам, теперь уносится с продуктами сгорания вверх и вносит свой вклад в нанесение повреждений элементов зданий и предметов. Схематично изменение видов теплообмена в процессе на стадии I пожара представлено на рис. 2.3. При этом следует отметить, что лучистый теплообмен, затухая, стимулирует возрастание конвективного теплообмена на этой стадии.

Рис. 23. Изменение видов передачи тепла в процессе пожара: 1 - лучистого; 2- конвективного; А - увеличение конвективного теплообмена при вскрытии проема