ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ПОЖАРА

Под динамикой пожара понимают совокупность законов и закономерностей, описывающих изменение основных параметров пожара во времени и пространстве. О характере пожара можно судить по совокупности большого количества его параметров: по площади пожара, по температуре пожара, скорости его распространения, интенсивности тепловыделения, интенсивности газообмена, интенсивности задымления и т. д.

Параметров пожара так много, что на одних видах пожаров одни из них являются основными, а на других - вторичными. Все зависит от того, какие цели поставлены в исследование того или иного вида пожара.

В качестве основных параметров, изменяющихся во времени, для изучения динамики пожара принимаем площадь пожара, температуру пожара, интенсивность газообмена и задымления, скорость распространения пожара. Эти параметры пожара наиболее доступны измерению, анализу, расчетам. Они служат исходными данными для определения вида необходимой техники и расчета сил и средств при тушении пожаров, проектировании автоматических систем пожаротушения и т. п.

С момента возникновения пожара, при свободном его развитии, до полного его прекращения пожар в помещении можно разделить на фазы.

9.1. Фазы пожара

I. Фаза загорания.

Пламя возникает от постороннего источника зажигания на небольшом участке и медленно распространяется. Вокруг зоны горения образуется конвективный газовый поток, который обеспечивает необходимый газообмен. Поверхность горючего материала прогревается, размер факела увеличивается, увеличивается газообмен, растет лучистый тепловой поток, который поступает в окружающее пространство и на поверхность горючего материала. Продолжительность фазы загорания колеблется от 1 до 3 мин.

II. Фаза начала пожара.

Температура среды в помещении медленно растет. Весь предыдущий процесс повторяется, но уже с большей интенсивностью. Продолжительность второго этапа примерно 5-10 мин.

III. Фаза объемного развития пожара - бурный процесс нарастания всех перечисленных параметров. Температура в помещении достигает 250 -300°С. Начинается «объемная» фаза развития пожара и фаза объемного распространения пожара. При температуре газовой среды в помещении 300°С происходит разрушение остекления. Догорание при этом может происходить и за пределами помещения (огонь вырывается из проемов наружу). Скачком изменяется интенсивность газообмена: она резко возрастает, интенсифицируется процесс оттока горячих продуктов горения и приток свежего воздуха в зону горения.

IV.Фаза пожара.

На данной фазе температура в помещении может кратковременно снизиться. Но в соответствии с изменением условий газообмена резко возрастают такие параметры пожара, как полнота сгорания, скорость выгорания и распространения процесса горения. Соответственно резко возрастает и общее тепловыделение на пожаре. Температура, несколько снизившаяся в момент разрушения остекления из-за притока холодного воздуха, резко возрастает, достигая 500 - 600 °С. Процесс развития пожара бурно интенсифицируется. Увеличивается численное значение всех ранее упомянутых параметров пожара. Площадь пожара, среднеобъемная температура в помещении (800-900 °С), интенсивность выгорания пожарной нагрузки и степень задымления достигают максимума.

V. Фаза стационарного горения.

Параметры пожара стабилизируются. Это обычно наступает на 20-25 мин пожара и, в зависимости от величины пожарной нагрузки, может длиться 20-30 мин.

VI. Фаза затухания.

Интенсивность горения постепенно снижается, т.к. основная часть пожарной нагрузки уже выгорела. В помещении накопилось большое количество продуктов горения. Среднеобъемная концентрация кислорода в помещении снизилась до 16-17 %, а концентрация продуктов горения, препятствующих интенсивному горению, возросла до предельного значения. Интенсивность лучистого переноса тепла к горючему материалу уменьшилась из-за снижения температуры в зоне горения. Из-за повышения оптической плотности среды интенсивность горения медленно снижается, что ведет к снижению всех остальных параметров пожара. Площадь пожара не сокращается: она может расти или стабилизироваться.

VII. Фаза догорания.

Для этой заключительной фазы пожара характерно медленное тление, после чего через некоторое, иногда достаточно продолжительное, время горение прекращается.

9.2. Основные параметры пожара

Рассмотрим количественно некоторые основные параметры пожара, определяющие динамику его развития. Определим интенсивность тепловыделения на пожаре, так как это один из основных параметров процесса горения:

Q=βQ^р_н V_м’Sп, (кДж/с)

где β и Q^р_н — постоянные (коэффициент недожога и низшая теплота сгорания пожарной нагрузки);

V_м^¢ - приведенная массовая скорость выгорания;

S_п – площадь пожара;

V_м^¢ и S_п зависят от времени развития пожара, темпераыура пожара, интенсивности газообмена и др.

Приведенную массовую скорость выгорания V_м^¢ определяем по формуле:

v_м^¢ = (а×Т_п+b×I_г) v_мo^¢

где а, b - эмпирические коэффициенты;

v_мo^¢ - приведенная массовая скорость выгорания пожарной нагрузки для данного вида горючего материала;

Т_п - среднее значение температуры пожара;

I_г - интенсивность газообмена.

Зависимость площади пожара от основных параметров его развития имеет вид:

S_п = k (v_р ∙ τ )ⁿ

где к_{и n} – коэффициенты, зависящие от геометрической формы площади пожара;

v_р – линейная скорость распространения пожара;

τ – время его свободного развития.

k = π; n = 2 k = ; n = 2 k = 2а; n = 1

k = ; n = 2 k = 2а; n = 1

Линейная скорость распространения пожара зависит от вида горючей нагрузки, средней температуры пожара и интенсивности газообмена:

v_p = (а₁T_п + b₁I_г)v_po

где а₁ и b₁ - эмпирические коэффициенты, устанавливающие зависимость линейной скорости распространения пожара от средней температуры и интенсивности газообмена, численное значение которых определяется опытным путем для каждого конкретного вида горючего;

v_рo - линейная скорость распространения горения для данного вида горючего.

По мере развития пожара температура пожара и интенсивность газообмена будут расти, увеличивая линейную скорость распространения горения и приведенную массовую скорость выгорания.

9.3. Тепловой режим на пожаре

Возникновение и скорость протекания тепловых процессов зависят от интенсивности тепловыделения в зоне горения, т.е. от теплоты пожара. Количественной характеристикой изменения тепловыделения на пожаре в зависимости от различных условий горения служит температурный режим. Под температурным режимом пожара понимают изменение температуры во времени. Определение температуры пожара как экспериментальным, так и расчетным методами чрезвычайно сложно. Для инженерных расчетов при решении ряда практических задач температуру пожара определяют из уравнения теплового баланса. Баланс тепла на пожаре составляется не только для определения температуры пожара, но и для выявления количественного распределения тепловой энергии. В общем случае тепловой баланс пожара для данного момента времени может быть представлен следующим образом:

Q_п = Q_пг+Q_к+Q_л

где Q_п - тепло, выделяющееся на пожаре, кДж;

Q_пг- тепло, содержащееся в продуктах горения, кДж;

Q_к- тепло, передаваемое из зоны горения конвекцией воздуху, омывающему зону, но не участвующему в горении, кДж;

Q_л– тепло, передаваемое из зоны горения излучением.

Для открытых пожаров установлено, что доля тепла, передаваемого из зоны горения излучением и конвекцией, составляет 40-50% от Q_п. Оставшаяся доля тепла (60-70% от Q_п) идет на нагрев продуктов горения. Таким образом, 60-70% от теоретической температуры горения данного горючего материала дадут приближенное значение температуры пламени. Температура открытых пожаров зависит от теплотворной способности горючих материалов, скорости их выгорания и метеорологических условий. В среднем максимальная температура открытого пожара для горючих газов составляет 1200 - 1350°С, для жидкостей – 1100 - 1300°С и для твердых горючих материалов органического происхождения – 1100 - 1250°С.

При внутреннем пожаре на температуру влияет больше факторов: природа горючего материала, величина пожарной нагрузки и ее расположение, площадь горения, размеры здания (площадь пола, высота помещения и т.д.) и интенсивность газообмена (размеры и расположение проемов). Рассмотрим подробнее влияние перечисленных факторов.

Пожар можно разделить на три характерных периода по изменению температуры: начальный, основной и заключительный.

Начальный период - характеризуется сравнительно невысокой среднеобъемной температурой.

Основной период - в течение его сгорает 70-80 % общей нагрузки горючих материалов. Окончание этого периода происходит, когда среднеобъемная температура достигает наибольшего значения или уменьшается не более чем до 80% от максимального значения.

Заключительный период - характеризуется убыванием температуры вследствие выгорания пожарной нагрузки.

Рис 9.1. Изменение температуры внутреннего пожара во времени: 1 - кривая конкретного пожара; 2 - стандартная кривая

Поскольку скорость роста и абсолютное значение температуры пожара в каждом конкретном случае имеют свои характерные значения и особенности, введено понятие стандартной температурной кривой (рис. 21.2), обобщающей наиболее характерные особенности изменения температуры внутренних пожаров. Стандартная температура описывается уравнением:

t_п^ст = 345 lg(8t+1)

или

t_п^cт = 500t^0,15

На температурный режим внутренних пожаров влияют:

а) Величина пожарной нагрузки.

С увеличением пожарной нагрузки время достижения максимальной температуры возрастает.

б) Влияние природы пожарной нагрузки.

Чем Qнр выше, тем быстрее растет t_п.

в) Влияние интенсивности газообмена t_п =φ(Iг):

Приток воздуха в помещение, где происходит пожар, увеличивает температуру его при неизменной площади пола и величине пожарной нагрузки. При условиях газообмена, близких к открытым пожарам, когда массовая скорость выгорания не зависит от размеров проемов, температура пожара достигает максимума и почти такая же, как и при открытом пожаре.

Интенсивность газообмена определяется, с одной стороны, конструктивными особенностями здания, с другой стороны - размерами самого пожара, которые определяют скорость роста и абсолютное значение массовой скорости выгорания, а следовательно и t_п.

г) Влияние высоты помещения.

В высоких помещениях скорость роста температуры выше, а максимальное значение температуры меньше, чем у помещений малой высоты (Н₁ > Н₂). Это объясняется тем, что в первом случае коэффициент избытка воздуха выше, чем во втором, и потери тепла из зоны горения больше.

Из приведенных данных следует, что по интенсивности газообмена, определяющей скорость роста и максимальное значение температуры пожаров, все помещения можно разделить на две группы:

1) с низкотемпературным режимом пожара, у которого F₁/F_пола<1/12 (НТР);

2) с высокотемпературным режимом пожара, у которого F₁/F_пола>1/12 (ВТР). Здесь процесс горения развивается как на открытых пожарах или близких к ним. Различие температур пожара в помещениях с низкотемпературным и высокотемпературным режимами в среднем составляет 200 - 250 °С.

9.4. Расчет температуры внутреннего пожара

Для анализа интенсивности тепловыделения внутреннего пожара уравнение теплового баланса записывается в форме:

Q_п = Q^׳_пг + Q^״_пг + Q_конв + Q_гм + Q_изл

где Q_п - тепло, выделяющееся на пожаре;

Q^׳_пг - тепло, содержащееся в продуктах горения, удаляемых из помещения;

Q^״_пг - тепло, содержащееся в продуктах горения, находящихся в помещении;

Q_конв - тепло, поступающее на строительные конструкции и оборудование конвекцией и излучением;

Q_гм - тепло, поступающее к горючему материалу конвекцией и излучением;

Q_{изл -} тепло, поступающее из зоны горения излучением за пределы помещения.

Все величины, входящие в это уравнение, переменные и зависят от многих факторов. Они имеют следующие значения:

Q_гм = 1,5 – 3 % от Q_п;

Q_конв = 6 – 8 % от Q_п;

Q_изл = 3 - 4 % от Q_п;

Q^׳_пг + Q^״_пг ≈ 90 % от Q_п.

В уравнении теплового балансаQ^׳_пг + Q_конв + Q_гм + Q_изл - тепло, которое теряется.

Тогда уравнение теплового баланса можно записать: Q_п = Q^״_пг + mQ_п

где m - доля потерь тепла.

9.5. Газообмен на внутреннем пожаре

Зона горения является мощным побудителем движения воздушных масс в объеме помещения. При увеличении площади пожара мощность тепловой струи увеличивается, горячие газы с холодным воздухом частично растекаются под пе­рекрытием, частично удаляются через проемы, а охлажденный воздух за счет по­терь теплоты опускается вниз вдоль стен, попадает в зону химических реакций и, нагретый вновь, поднимается вверх. В помещении здания создается не­прерывная циркуляция газовых потоков, температура в объеме помещения посте­пенно возрастает. В результате перепада температур между окружающим возду­хом и горячим газом в объеме помещения (из-за разности плотностей между го­рячим газом и холодным воздухом (ρ_газа<ρ_{воздуха}) возникает газообмен). Кроме того, поскольку объем нагретых газов больше, а давление в помещении остается постоянным (р=р_бар), то часть газов будет вытесняться за счет термического расширения, т.е. масса газов (G =rV_пом) в помещении будет постепенно уменьшаться по мере роста температуры. Взамен ушедшего из помещения газа поступает свежий воздух из окружающей атмосферы. Причиной газообмена является разность давлений столбов наружного и внутреннего воздуха, которая равна: ∆p =Hρ_возд - Hρ_газа = H(ρ_возд – ρ_газа)

где ∆p - гравитационное давление (напор).

9.6. Основные закономерности газообмена

Как и любой физико-химического процесс, газообмен имеет свои закономерности. Поскольку пожар является нестационарным физико-химическим процессом, сделаем следующие основные допущения:

1. температура газов в помещении выше, чем температура окружающего воздуха, и с течением времени температура в помещении не изменяется;

2. ветровые нагрузки на здание отсутствуют;

3. площади проемов 1 и 2 с течением времени не изменяются.

Масса втекающих в объем помещения газов равна массе удаляемых газов. Так как при пожаре температура в помещении значительно выше, чем температура окружающего воздуха, то ρ_в > ρ_г. Под влиянием гравитационного давления начнется газообмен между окружающим воздухом и объемом помещения. Через нижний проем 1 в помещение будет входить более плотный окружающий воздух и выталкивать по закону Архимеда через проем 2 горячий газ - смесь продуктов горения с воздухом. Направление движения газовых потоков указывает на то обстоятельство, что давление в нижней зоне помещения меньше, а в верхней - больше давления окружающей среды.

Дата добавления: 2014-10-14; просмотров: 2617; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!