2.4. Характеристика и основные параметры пожара

Для принятия предупредительных мер и мер при тушении пожара необходимо знать закономерности развития пожара, на основании которых можно прогнозировать процесс его развития в конкретных условиях и правильно оценивать обстановку на пожаре. Прогнозирование развития пожара предполагает использование методов расчета направлений и скоростей распространения горения, продолжительности развития пожара, изменений во времени температуры и компонентов газовой среды, интенсивности газообмена и других параметров пожара.

Каждый пожар имеет свои особенности, связанные с конструктивными и технологическими особенностями объектов, климатическими условиями, направлениями и скоростями ветра во время пожара и т. п. Однако, пожары обладают общими закономерностями, что позволяет прогнозировать процессы при пожарах и параметры опасных факторов пожара.

Процессы горения, теплообмена и массопереноса изменяются во времени, пространстве и характеризуются параметрами пожара. В математической модели пожар рассматривается как термодинамическая система, обменивающаяся с окружающей средой массой, теплотой и работой.

Горение горючих веществ и материалов представляет собой быстро протекающие химические реакции окисления и физические явления, без которых горение невозможно, сопровождающиеся выделением теплоты и свечением раскаленных продуктов горения с образованием пламени.

Основными условиями горения являются: наличие горючего вещества, поступление окислителя в зону химических реакций и непрерывное выделение теплоты, необходимой для поддержания горения.

Возникновение и распространение процесса горения по веществу происходит не сразу, а постепенно. Источник горения воздействует на горючее вещество, вызывает его нагревание, при этом в большей мере нагревается поверхностный слой, происходит активация поверхности, деструкция и испарение вещества вследствие термических и физических процессов, выход летучих смесей, состоящих из газообразных продуктов реакции и твердых частиц исходного вещества. Образовавшиеся летучие смеси способны к дальнейшему экзотермическому превращению, а развитая поверхность прогретых твердых частиц горючего материала способствует интенсификации процесса его разложения. Концентрация паров, газообразных продуктов деструкции и испарения (для жидкостей) достигает критических значений, происходит воспламенение газообразных продуктов и твердых частиц вещества, материала. Горение этих продуктов приводит к выделению теплоты, повышению температуры поверхности и увеличению концентрации горючих продуктов термического разложения.

К основным показателям, характеризующим возможное развитие процесса горения на пожаре, относятся: удельная пожарная нагрузка, удельная массовая скорость выгорания, линейная скорость распространения пламени по поверхности горящих материалов, интенсивность выделения теплоты, температура пламени и др.

Под удельной пожарной нагрузкой понимают количество теплоты, которое может выделиться при пожаре с единицы площади или массу (приведенную к древесине) горючих и трудногорючих материалов, приходящихся на 1 м² площади пожара.

Удельную пожарную нагрузку вычисляют по формулам:

, МДж/м²; , кг/м²,

где M_i – масса i-го вещества или материала, кг; Q_i – удельная теплота сгорания i-го вещества или материала, МДж/кг; F – площадь зданий и сооружений или их частей, м²; k – число видов веществ и материалов в пожарной нагрузке; i – порядковый номер вещества (материала) пожарной нагрузки; G_прив – приведенная к древесине пожарная нагрузка, кг; 29,26 – удельная теплотворная способность древесины, МДж/кг.

Скорость распространения горения представляет собой физическую величину, характеризующую поступательное движение фронта пламени в единицу времени. Она зависит от вида и природы горючих веществ и материалов, от начальной температуры, способности горючего к воспламенению, интенсивности газообмена на пожаре, плотности теплового потока на поверхности веществ и материалов и других факторов.

Под температурой пожара в помещениях понимают среднеобъемную температуру газовой среды в помещении, под температурой пожара на открытых пространствах – температуру пламени. Температура пожаров в ограждениях, как правило, ниже, чем на открытых пространствах.

Одним из главных параметров, характеризующих процесс горения, является тепловая мощность пожара. Это величина равна по значению теплоте, выделяющейся на пожаре за единицу времени. Она определяется массовой скоростью выгорания материалов и их теплотворными способностями. На интенсивность тепловыделения влияют содержание кислорода и температура среды, в свою очередь, содержание кислорода зависит от интенсивности поступления воздуха в помещение при пожарах в ограждениях и в зону пламенного горения при пожарах на открытых пространствах.

Если горение на пожаре не ограничивается притоком воздуха, интенсивность тепловыделения зависит от площади поверхности материала, охваченной горением. Площадь поверхности вещества или материала, охваченная горением, может оставаться в процессе пожара постоянной величиной (например, горение жидкости в резервуаре, в пределах обвалования и т. п.) или изменяется со временем (например, при распространении огня по поверхности твердого горючего материала). Интенсивность тепловыделения на пожаре зависит от газообмена.

При пожаре выделяются вещества, называемые продуктами сгорания. Они распространяются в газовой среде и создают задымление.

Дым – это дисперсная система из продуктов сгорания и воздуха, состоящая из газов, паров и раскаленных частиц. Объем выделившегося дыма, его плотность и токсичность зависят от свойств горящего материала и от условий протекания процесса горения.

Под дымообразованием на пожаре принимают скорость образования дыма (м³/с) на всей площади пожара.

Концентрация дыма – это количество продуктов сгорания, содержащихся в единице объема помещения. Ее можно выразить количеством вещества в единице объема (г/м³, г/л) или в объемных долях.

Плотность задымления может быть оценена глубиной видимости. Например, если при освещении лампой (силой света в 21 кд) видимость менее 3 м – дым плотный; до 6 м – дым средней плотности; до 12 м – задымление слабое.

Газовый обмен на пожаре осуществляется при движении газообразных масс, вызываемых выделением продуктов сгорания и теплоты. Холодный плотный воздух вытесняет более легкие нагретые газы, последние поднимаются вверх. На процесс газообмена в помещении большое влияние оказывают высота помещения, геометрические размеры проемов, скорость и направление ветра.

Процессы газообмена на пожаре могут приводить к задымлению, как помещений, так и зданий в целом. Правильная организация работ по управлению газовыми потоками на пожаре может способствовать предотвращению задымления зданий и смежных помещений, имеющих общие проемы, что значительно облегчит работы по локализации и ликвидации пожара.

Одним из главных процессов, происходящих на пожаре, является процесс теплообмена. Выделяющаяся теплота при горении является одной из причин развития пожара. Для поддержания горения требуется до 3 % выделяющейся тепловой мощности, передаваемой горящим веществам путем излучения и затрачиваемой на их разложение и испарение. Именно это количество принимается за основу при тепловых расчетах для установления нормативных параметров тушения.

Теплота, передаваемая во внешнюю среду, способствует распространению пожара, вызывает повышение температуры, деформацию конструкций и т. д.

Большая часть теплоты на пожарах передается конвекцией. Так, при горении бензина в резервуаре этим способом передается 50...60 % теплоты, а при горении штабелей леса – 60...70 %.

При безветрии большая часть теплоты отдается верхним слоям атмосферы. При наличии сильного ветра обстановка усложняется, так как восходящий поток нагретых газов значительно отклоняется от вертикали.

При внутренних пожарах конвекцией будет передаваться больше теплоты, чем при наружных пожарах. При пожарах внутри зданий продукты сгорания, двигаясь по коридорам, лестничным клеткам, шахтам лифтов, вентиляционным каналам передают теплоту встречающимся материалам, конструкциям и вызывают их загорание, деформацию и обрушение. Необходимо помнить, чем выше скорость движения конвективных потоков и чем выше температура нагрева продуктов сгорания, тем больше теплоты передается в окружающую среду.

При пожарах в помещениях действие излучения ограничивается строительными конструкциями и задымлением как тепловым экраном. В наиболее удаленных от зоны горения участках тепловое воздействие излучения существенного влияния на обстановку пожара не оказывает. Но чем ближе к зоне горения, тем более опасным становится его тепловое воздействие.

Практика показывает, что при температуре, равной 80…100 °С в сухом воздухе и при 50…60 °С во влажном, человек без специальной тепловой защиты может находиться лишь считанные минуты. Более высокая температура или длительное пребывание в этой зоне приводит к ожогам, тепловым ударам, потере сознания и даже смертельным исходам.

Критическая плотность теплового излучения, не вызывающая при длительном воздействии необратимых последствий (заболеваний) у незащищенного человека, равна q_кp = 1,05…1,26 кВт/м². Этот параметр для пожарного в боевой одежде равен 4,2 кВт/м².

Процесс теплообмена горячих газов, факела пламени и ограждающих конструкций при пожаре в помещении носит сложный характер и осуществляется одновременно тепловым излучением, конвекцией и теплопроводностью.

Пространство, в котором развивается пожар, условно подразделяется на три зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зоной горения называется часть пространства, в котором протекают процессы термического разложения или испарения горючих веществ и материалов (твердых, жидких, газов, паров) в объеме диффузионного факела пламени. Горение может быть пламенным (гомогенным) и беспламенным (гетерогенным). При пламенном горении границами зоны горения являются поверхности горящего материала и тонкого светящегося слоя горения (пламени), при беспламенном – раскаленная поверхность горящего вещества.

Примером беспламенного горения может служить горение кокса, древесного угля, подземное тление торфа. Зона теплового воздействия примыкает к границам зоны горения. В этой части пространства протекают процессы теплообмена между поверхностью пламени, окружающими конструкциями и горючими материалами. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется рассмотренными ранее способами: конвекцией, излучением, теплопроводностью. Границы зоны проходят там, где тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов, конструкций и создает невозможные условия для пребывания людей без средств тепловой защиты.

Под зоной задымления понимается часть пространства, примыкающего к зоне горения, в которой невозможно пребывание людей без средств защиты органов дыхания и в которой затрудняется ведение боевых действий подразделений пожарной охраны из-за недостатка видимости.

При пожарах в зданиях и сооружениях возникает опасность для жизни и здоровья людей, оказавшихся в зоне задымления. Особое значение зона задымления накладывает на обстановку пожара в зданиях повышенной этажности и на объектах с массовым пребыванием людей. Кроме того, работа пожарных в задымленных помещениях требует определенных умений и навыков, высокой физической, морально-волевой и психологической подготовки.

Зона задымления может включать в себя всю зону теплового воздействия и значительно превышать ее.

В процессе развития пожара различают три стадии: начальную, основную и конечную.

Начальной стадии соответствует период развития пожара от зажигания до момента, когда размер пламени практически перестает изменяться. Начальная стадия пожара в помещении продолжается 5–40 мин (иногда и более).

Основной стадии развития пожара в помещении соответствует период, когда среднеобъемная температура достигает максимума. На этой стадии сгорает 80–90 % объемной массы горючих веществ и материалов, температура и плотность газов в помещении изменяются во времени незначительно. Поэтому такой режим развития пожара является установившимся.

На конечной стадии пожара завершается процесс горения и постепенно снижается температура. Количество продуктов сгорания становится меньше, чем количество поступающего воздуха.

Под интенсивностью газообмена понимается скорость притока воздуха к зоне горения. Нагретые в зоне горения продукты сгорания имеют малую плотность и поднимаются вверх, а к зоне реакции устремляется воздух.

Чтобы успешно бороться с пожарами в помещениях, необходимо знать способы управления газовыми потоками на пожаре.

Одним из них является изменение естественного воздухообмена путем изменения площадей приточных и вытяжных проемов. Среди других способов можно выделить применение принудительной вентиляции (использованием пожарных дымососов) и огнетушащих веществ.