Расследование пожаров / Egorov - Termodinamika v issledovanii pozharov

Рис. 2.4. Ориентация в зону очага пожара несущих элементов перекрытия а) ферм; б) балок

Так как каждый вид теплообмена оставляет характерные следы своего воздействия на окружающие предметы, то для исследователя очень важно уметь это выделить и сделать логически выверенный вывод.

Усилению конвективного теплообмена в процессе горения способствует вскрытие остекления, образование прогаров в ограждающих конструкциях, открывание проемов, что в целом ведет к улучшению притока воздуха, необходимого для горения, и удаления продуктов сгорания. Однако, о продуктах сгорания, поднимающихся вверх, разговор не окончен, так как, достигая ограждающих элементов вверх помещения (перекрытие, полка и т.п.) над местом горения они зачастую вызывают локальное прожигание или потерю несущей способности этих элементов. Следствием такого явления, как правило, становится обрушение в зону очага горения ограждающих конструкций, предметов и т.п.

Эти материалы образуют в месте очага пожара «завал», пожарный мусор которого нередко экранирует место первоначального горения, чем вызывается порой прекращение последнего из-за непоступления воздуха (особенно, если в пожарном мусоре присутствуют несгораемые предметы). Таким образом, происходит изолирование очага от горящей в помещении пожарной нагрузки, и часто предметы, находившиеся в очаге пожара и поврежденные по «сфере», оказываются сохранившимися иногда даже и в том случае, когда большая часть предметов в помещении (помещениях) уничтожена. Именно поэтому внимание специалиста, исследующего пожар, должны привлекать «завалы».

Иногда завалы могут отсутствовать, а наблюдаться лишь элементы несущих конструкций, предметов, ориентированные в одно место (рис. 2.4.), которое наиболее часто оказывается очагом пожара.

Поэтому очень важно для себя выделить наряду с «правилом сферы» и «правило завала-ориентации». Для установления места очага пожара существуют и другие «правила», приводимые ниже.

2.3. Следы повреждений на материалах

2.3.1. Анализ «очагового» конуса

В специальной литературе (7,8,9, 10) имеется немало информации об особенностях повреждений конструкций и предметов из различных материалов. Это относится к элементам из бетона, кирпича, металла, древесины, покрытиям из различных лакокрасочных материалов и т.п. В том числе уделено внимание и описанию «очагового конуса». Однако, в имеющейся литературе нет описания данных по возникновению этого характерного следа на конструкциях, также не полностью дана информация по особенностям тех или иных размеров «очаговых конусов», важных для оценки условий протекания горения во время пожара. Попытаемся объяснить все это с физической точки зрения для того, чтобы уметь на практике делать логичные выводы при анализе «очаговых конусов» с теми или иными характерными размерами.

Рис. 2.5.а) «Очаговый конус», обращенный вершиной вниз на стене

Рис. 2.5.б) «Очаговый конус», обращенный вершиной вниз на поверхности стола и колонны

Как правило, на практике при исследовании повреждений, вызванных пожаром, на вертикальных поверхностях мы видим следы от воздействии его факторами в виде треугольника, трапеции и т.п. Эти фигуры могут иметь вертикальную ось симметрии, так и не иметь ее. Это становится важным при установлении условий газообмена, возникающего во время горения. Выделение на общем фоне поврежденных поверхностей отличительных следов в форме различных геометирческих фигур вызывается вследствие проецирования на плоскости объемных зон горения. Наиболее часто на вертикальных поверхностях отображаются треугольники, обращенные вершиной вниз (рис. 2.5). Однако, порой встречаются и треугольники, обращенные вершиной вверх (рис. 2.6.). Последнее становится возможным вследствие проецирования на вертикальную поверхность очертаний зоны горения одновременно со значительной площади. Наиболее часто это бывает при горении разлившейся легковоспламеняющейся или горючей жидкости в помещении с относительно невысокой среднеобъемной температурой.

более плотным подходящим к зоне горения воздухом, имеющим сравнительно невысокую температуру. При этом, согласно уравнения Бернулли, продукты сгорания в верхней части пламени приобретают максимальную скорость подъема вверх вследствие того, что площадь сечения удаляемых продуктов горения в верхней части пламени минимальна, а расход их такой же. Зона пламенного горения с соблюдением всех перечисленных законов лучистого теплообмена оказывает наибольшую передачу теплоты излучением в пределах своих границ, чем порой вызывается образование следов отжига обугливания, выгорания, копоти и т.п. на вертикальных ограждающих поверхностях в форме треугольников, обращенных вершиной вверх. Такое становится возможным при горении одновременно на относительно большой площади (например, разлитой по поверхности легковоспламеняющейся или горючей жидкости, разрыхленного твердого легкогорючего материала) при достаточном газообмене (рис. 2.6.) и соответствует проецированию их на поверхность зоны 2 рис. 2.7.

В том случае, когда газообмен недостаточен то же самое горение возможно с хлопками образующихся зон взрывоопасных концентраций.

Однако, отражения на вертикальных поверхностях следов наибольших повреждений в виде треугольников, обращенных вершиной вверх, встречаются гораздо реже, чем в виде треугольников, обращенных вершиной вниз (рис. 2.5.). Нередко вместо треугольников могут наблюдаться трапеции, возникающие при усечении нижней части треугольника, обращенного вершиной вниз (рис. 2.8.). Следы

Рис. 2.7. Схема образования «очаговых конусов» с различной ориентацией на вертикальных конструкциях:

1 - сгораемое вещество;

2 - зона факела пламени;

3 - зона подъема нагретых продуктов сгорания

наибольших повреждений на вертикальных поверхностях в виде треугольников, обращенных вершиной вниз вызываются поднимающимися вверх нагретыми до высокой температуры продуктами сгорания. В данном случае горение возникает первоначально на незначительной площади, зона факела пламени относительно объема помещения, где происходит горение, мала, поэтому следы повреждений на вертикальных поверхностях от факела пламени зачастую поглощаются следами повреждений от раскаленных продуктов сгорания. Ранее было установлено, что минимальная ширина проекций наибольших повреждений на вертикальных поверхностях наблюдается в зоне горения вследствие максимальной разности плотностей подходящего менее нагретого воздуха и раскаленных продуктов сгорания. По мере подъема вверх («всплывания») продуктов сгорания при вытеснении их плотным менее нагретым воздухом с увеличением высоты они попадают в слои все более нагретых газов, макси-

Рис. 2.8. а) Спецы повреждений в виде трапеции на кладке печи

Рис. 2.8.6) Следы повреждений в виде трапеции на внутренней стене

мальная температура которых наблюдается под потолком. Схематичное распределение температурных полей по высоте помещения представлено на рис. 2.9. Известно, что с увеличением температуры газов плотность их уменьшается, поэтому продукты сгорания по мере подъема вверх попадают все в менее плотную газовую среду. При

Рис. 2.8. в) Следы повреждений в виде трапеции на наружной стене

этом разница плотностей между окружающими газами и продуктами сгорания с увеличением высоты снижается, вызывая и планомерное уменьшение скорости подъема продуктов сгорания. С высотой, попадая в менее плотную газовую среду, продукты сгорания с уменьшающейся скоростью подъема, но при том же расходе их, как и факела пламени, согласно уравнения Бернулли должны подвергаться расширению в виде конуса. При этом на близко расположенных вертикальных поверхностях будут проецироваться следы наибольших повреждений в виде треугольников, обращенных вершиной вниз. Если же горение возникает с поверхности со сравнительно увеличенной площадью, то на вертикальных поверхностях могут наблюдаться следы повреждений в виде трапеций (точнее, треугольников с усеченной вершиной, которая должна была находиться внизу (рис. 2.8.).

На основании изложенного по величине раскрытия угла «очагового» конуса - можно судить о величине температурных полей в помещении, где происходило горение, так как чем больше этот угол, тем более высокой была температура в помещении. Все это объясняется также величиной разности плотностей газов в помещении по высоте.

Несимметричность сторон треугольников (трапеций) относительно своих геометрических осей свидетельствует об особенностях газообмена в период пожара, так как отклонение максимальных следов повреждений (отжига, выгорания копоти и т.п.) в какую-либо сторону от вертикальной оси объясняется преобладающими конвек-тивными потоками в эту сторону.

Следует обращать внимание, что под центром образования «очагового конуса» в плане на потолке также должны наблюдаться соответствующие следы (прогары или наибольшие величины переугливания, отжиги, выгорание слоя копоти и т.п.), как правило, в форме геометрической фигуры, близкой к окружности (рис. 2.10,2.11).

Высота расположения нижней точки конуса (усеченного конуса) (рис. 2.10, 2.5) зачастую соответствует высоте места возникновения первоначального горения. При этом только следует обращать внимание на полный сбор информации об объекте пожара, в том числе и на исследование ниже расположенных этажей, так как порой при пожарах следы повреждений на вертикальных поверхностях в виде «очаговых конусов» могут наблюдаться в этажах, расположенных выше тех, где возникло первоначальное горение. Причиной тому является переход горения в вышерасположенные этажи через проемы в перекрытии. Схематично это представлено на рис. 2.12.

2.3.2. Анализ повреждений остекления на объекте пожара

Характер повреждений остекления на пожаре может свидетельствовать о многом. Вопервых, осколки оконных стекол, обнаруженные на объекте пожара без каких-либо следов налета копоти, могут свидетельствовать о том, что это остекление было нарушено до момента возникновения пожара с целью проникновения на объект лица, способного совершить действия по возникновению пожара.

Рис. 2.9. Принципиальная схема распределения температуры по высоте при внутреннем пожаре

Рис. 2.10. Принцип отображения следов «очагового конуса»:

1-на стене;

2-на потолке;

h - высота расположения вершины «конуса»

Рис. 2.11. Следы отжига на потолке

Во-вторых, тщательный анализ повреждений остекления может дать немало сведений о динамике пожара. Проследить это можно на примере участка оконного стекла ограниченного размера с высотой h, шириной β и определенной толщины δ (рис. 2.13).

Согласно справочных данных (12) теплопроводность обыкновенного оконного

стекла составляет 0,74 + 0,001.t Вт м-1 К-1 при плотности 2500 кг м-3 и теплоемкости 0,67 кДж кг-1К-1.

Из произведенного несложного расчета следует, что в нормальных температурных условиях коэффициент теплопроводности при нестационарном режиме равен малой величине (0,4 х 10-6 м2с-1).

Рис. 2.12. Схема образования вторичного «очагового конуса» в этаже, расположенном выше места возникновения первоначального горения:

1 - первичный «очаговый конус»;

2 - вторичный «очаговый конус».

Рис. 2.13, Схема анализа характера повреждений стекла от воздействия температуры tn - температура пожара;

to- температура вне зоны пожара; δ - толщина стекла; в - ширина участка стекла;

∆bt - приращение размеров участка стекла под действием температуры

С возрастанием температуры стекла коэффициент теплопроводности его несколько возрастает (например, при температуре 100°С, этот коэффициент повышается до 0,5 х10-6 м2.с-1), однако, на очень малую величину. Вместе с тем, согласно справочных данных (15), коэффициент линейного теплового расширения обыкновенного стекла в температурном диапазоне от 20 до 200° С составляет 0,5 х 10-6 К-1. К сожалению, при более высокой температуре справочные данные коэффициентов линейного теплового расширения обыкновенного стекла не указаны.

Известно, что при пожаре режим возрастания температуры у поверхности остекления в помещении, где он возник, нестационарный при неизменной температуре с обратной стороны остекления. При этом, чем более интенсивно будет возрастать температура у поверхности стекла (рис. 2.13), тем большие линейные расширения будут у

граничных слоев при незначительной передаче возрастающей температуры внутренним слоям. Так, если поверхность стекла шириной В=1мс одной стороны нагреть, например, до температуры 200°С, то граничные слои с этой стороны увеличатся в размере на 1,9 мм, вследствие чего по толщине стекла возникнут внутренние напряжения, которые и вызовут разрушение стекла. Линии разрушения, в основном, будут тем длиннее, чем интенсивнее будет возрастать температура у поверхности и чем больше толщина стекла.

Таким образом, исследуя при наличии какого-либо следа копоти величину осколков стекол и размер сетки трещин можно сделать вывод о нарастании температуры в зоне нахождения исследуемого остекления. Чем мельче будет сетка трещин и сами осколки стекол, тем более равномерно распределялась температура по обогреваемой поверхности и тем медленнее она нарастала во времени.

Рис. 2.14. Оплавленное и выпавшее на землю стекло

Как правило, более мелкие сетку трещин и осколки сопровождают более густой слой копоти, ставший возможным при откладывании на поверхности более длительное время.

При очень медленном прогреве стекла оно размягчается при температуре 500...600°С (13) и опускается вниз без разрушения (рис. 2.14.).

Плавится же стекло при температуре 800... 1200°С (16).

На основании изложенного следует обращать особое внимание на характер повреждений остекления в разных участках объекта пожара, так как это позволяет более качественно исследовать характер протекания горения в объеме. Не следует забывать и о наличии или отсутствии копоти на стеклах, что важно для сбора сведений о возможной причине пожара.

3. КАЛОРИЙНОСТЬ ИСТОЧНИКОВ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЯЩИХ ПРЕДМЕТОВ НА ОБЪЕКТЕ ПОЖАРА

В практике исследования пожаров нередко присутствует понятие о калорийности источника зажигания и горящих материалов. Оценка калорийности при этом осуществляется приблизительно и не имеет какой-либо установленной градации, поэтому для оценкикалорийности полезным будет проанализировать ряд примеров, изложенных в научно-популярной литературе (13).

Одним из наиболее распространенных источников зажигания является горящая спичка, которая в практике исследования пожаров чаще относится к малокалорийным источникам. Однако, расчетом можно определить мощность горящей спички, которая весит около 0,1г. Теплота сгорания древесины приблизительно равна 3000 кал.г-1. По часам можно определить, что спичка сгорает примерно за 20 с. Отсюда следует, что из 300 калорий (3000 х 0,1), развивающихся при сгорании целой спички, в одну секунду