236293

При большом числе продуктов сгорания, образующихся при пожаре, используют иной метод расчета теплового эффекта. Он основан на том, что теплота сгорания большинства горючих веществ является постоянной величиной, если она выражается через количество расходуемого в ходе реакции кислорода или воздуха. Например, на каждый моль сгоревшего пропана и пять молей используемого при этом кислорода приходится 2044 кДж тепла. В этом случае теплота сгорания будет равна

Hc ox = –408,8 кДж/моль или –408,8 / 32 = –12,77 кДж/г,

где 32 — молекулярный вес кислорода.

Таким образом, если определена скорость расхода кислорода, то можно оценить интенсивность тепловыделения. Интенсивность тепловыделения вычисляются по формуле

Qс = (0,21 − ηO2 )V 103ρO2 ΔHс ох,

где V — объемный расход воздуха, м3/с; ρO2 — плотность кислорода, кг/м3, при нормальных температуре и давлении; ηO2 — молярная доля кислорода в пожа-

ронепроницаемом помещении. Значение Нс ох основано на допущении полного сгорания горючего с образованием продуктов в виде диоксида углерода и паров воды.

Теплота сгорания может быть выражена через количество потребленного воздуха. В этом случае в уравнение реакции горения включается азот, например:

С3Н8 + 5О2 + 5 · 3,76N2 = 3CО2 + 4Н2О + 18,8N2.

Здесь соотношение азота и кислорода в воздухе составляет приблизительно 3,76 / 1. Повторяя вышеприведенные расчеты, получим, что при учете кислорода, содержащегося в 23,8 молях воздуха, выделится 2044 кДж тепла. Таким образом,

для воздуха Hс возд = 85,88 кДж/моль или 85,88 / 28,95 = 2,97 кДж/г, где 28,95 —

относительная молекулярная масса воздуха.

Подобные стехиометрические уравнения могут быть использованы для расчета расхода воздуха, необходимого для полного сгорания любого горючего вещества.

1.6. Механизм горения газовой фазы

Химические уравнения определяют стехиометрию полной реакции, но не отражают всей сложности процесса. Например, горение метана:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.

11

Этот процесс включает целый ряд элементарных реакций, в которых участвуют молекулярные частицы высокой химической активности (атомы, свободные радикалы): Н*, ОН*, СН3*. Эти частицы существуют в пламени короткое время, обеспечивая быстрый расход горючего вещества. Частицы непрерывно воспроизводятся в результате последовательности цепных реакций:

СН4 + ОН* → Н2О + СН3, СН3 + О2 → СН2О + ОН*, СН2О + О* → СНО* + ОН*, СН2О + ОН* → СНО* + Н2О, СНО* + Н* → СО + Н2, СО + ОН* → СО2 + Н*.

Скорость окисления метана может быть выражена через скорости его превращений в результате такой последовательности реакций:

d[CHdt 4] =k1[CH4][OH*]+k2 [CH4][H*]+k3[CH4][O*]=k1[OH*]+k2[H*]+k3[O*][CH4],

где квадратные скобки обозначают концентрации веществ, а k1, k2, k3 — соответствующиеконстантыреакций.

Молекулярные частицы, которые быстро реагируют с атомами водорода, замещая их атомами или радикалами со значительно меньшей активностью, могут тормозить окисление газовой фазы. Хлор- и бромсодержащие соединения могут достигать этого эффекта путем образования в пламени галоидных соединений водорода. Реакции типа HBr + H* → H2 + Br* приводят к замещению атомов водорода малоактивными атомами и тем самым резко уменьшают общую скорость реакции. По этой причине данные соединения могут быть использованы в качестве ингибиторов или химических огнетушащих веществ.

1.7. Температура пламени

При пожаре важное значение, как правило, имеет не столько суммарная величина выделенного тепла, сколько величина интенсивности тепловыделения. Интенсивность тепловыделения можно оценить по скорости притока воздуха,

mвозд/t, в случае, если она известна. При предположении, что весь кислород расходуется внутри помещения, интенсивность тепловыделения можно найти по

формуле:

Qc* = mвозд Нс возд.

Температура горения зависит от величины Qc* и интенсивности теплопотерь

вблизи от реакционной системы. Горение в системах, где горючее и воздух хорошо перемешаны, а скорости реакций высоки, является тем случаем, когда те-

12

плопотерями можно пренебречь. Этот процесс описывает адиабатическая модель, согласно которой все образовавшееся тепло остается внутри системы, вызывая повышение температуры.

В примере с горением пропана в данных условиях вся энергия горения расходуется на нагрев и повышение температуры продуктов сгорания СО2, Н2О и N2. Известно, что Нс (С3Н8) = –2044,3 кДж/моль. Конечные температуры этих веществ могут быть рассчитаны исходя из их теплоемкостей (табличные данные). Азот не участвует в химической реакции, он поглощает основную часть энергии, которая выделяется при горении. Исходя из стехиометрии горения пропана, энергия, выделяющаяся при сгорании 1 моля, поглощается 3 молями СО2, 4 молями Н2О и 18,8 молями N2. Суммарная теплоемкость этой смеси равна 942,5 Дж/К (на моль сгоревшего пропана). Поэтому конечная температура пламени, в предположении, что начальная температура равна 25 °С, будет равна:

Тпл = (25 + 2044300) / 942,5 = 2194 °С.

Реальные системы не являются адиабатическими за счет радиационных потерь из зоны горения, что приводит к уменьшению температуры газов за границами пламени. Несмотря на приближенный характер расчетов, они полезны для оценки воспламеняемости смесей. Установлено, что существует минимальная критическая (адиабатическая) температура, ниже которой распространение пламени невозможно. Область воспламенения ограничена нижним и верхним пределами воспламеняемости.

Для пропана нижний предел соответствует уровню его концентрации в воздухе, равному 2,2 %. Если предположить, что сгорание протекает до конца, то процесс окисления может быть описан соотношением:

0,022С3Н8 + 0,21О2 + 0,79N2 → продукты горения (СО2, Н2О, О2 и N2).

Разделив обе части на 0,022, получим следующее:

С3Н8 + 9,335О2 + 35,119N2 → 3CО2 + 4Н2О + 4,335О2 + 35,119N2.

Поскольку исходная горючая смесь была предельно бедной, то избыток кислорода приведет к росту суммарной теплоемкости смеси продуктов сгорания. Конечная температура пламени будет равна 1281 °С (1554 К), что намного ниже температурного начала термического разложения продуктов горения (1700 °C). Рост температуры сопровождается увеличением объема. Соотношение можно определить на основе закона идеального газа:

V2 / V1 = n2 / n1 = T2 / Т1,

где индексы 1 и 2 относятся к начальному и конечному состоянию и предполагается, что Р1 = Р2.

13

Если объем остается неизменным, то имеет место соответствующий рост давления. Изменение давления происходит очень быстро, если смесь паров горючего и воздуха воспламеняется внутри ограниченного пространства. Если не принять меры, предотвращающие нарастание давления, то процесс приведет к разрушению конструкций здания. Поэтому при строительстве зданий применяют вышибные проемы в виде ослабленных панелей в стенах сооружений, которые при нарастании давления легко разрушаются.

1.8. Теплообмен и аэродинамика при пожаре

Для анализа процесса горения при пожаре необходимо знание основ теории теплообмена и аэродинамики. Существует три основных механизма теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение. При пожаре наблюдается каждый из перечисленных видов теплообмена. Однако, в зависимости от фазы пожара, один из видов теплообмена может преобладать.

Теплопроводность определяет интенсивность теплового потока в твердых материалах и играет важную роль в задачах, связанных с воспламенением и распространением пламени над твердыми горючими материалами, а также огнестойкостью ограждений помещений и элементов конструкций.

Конвективным теплообменом называется передача энергии в форме тепла между неравномерно нагретыми частями жидкости и твердого тела или частями жидкости, осуществляемая в результате движения микроскопических частей тела относительно друг друга.

Конвективный теплообмен имеет место на всех стадиях пожара, но особенно важен на начальной стадии, когда уровень теплового излучения невысок. При пожаре в естественных условиях движение газов, связанное с конвективным теплообменом, определяется подъемной силой, которая оказывает влияние на форму и характеристики диффузионных пламен.

Конвективный теплообмен между жидкостью и твердыми телами называется теплоотдачей. В зависимости от причин движения жидкости различают теплоотдачу при свободной (естественной) конвекции и теплоотдачу при вынужденной конвекции.

В отличие от теплопроводности и конвекции, лучистый теплообмен не требует наличия промежуточной стадии между источником и приемником тепла. Перенос тепла осуществляется посредством электромагнитных волн, которые, подобно свету, могут поглощаться, пропускаться или отражаться поверхностью тела. Лучистый теплообмен становится главным видом теплопереноса, если диаметр очага пожара превышает 0,3 м, и определяет рост и распространение пожара в помещении. Вследствие лучистого теплообмена происходит нагрев удаленных от пожара объектов до температуры воспламенения.

Поток тепла, обусловленный теплопроводностью, определяется соотношением

14

dq / dt = –k T / Х,

где Т — разница температур на расстоянии Х. Это соотношение может быть записано в следующей дифференциальной форме:

(dqх / dt) / А = –k T / dx,

где А — площадь поверхности, перпендикулярной оси Х, вдоль которой передается тепло.

Данное соотношение называется законом теплопроводности Фурье. Константа k называется коэффициентом теплопроводности и измеряется в Вт/(м · К), Т — в градусах Цельсия или Кельвинах, а х — в метрах.

Как правило, материалы, обладающие хорошей теплопроводностью, являются также и хорошими проводниками электричества. Это объясняется тем, что теплообмен происходит, главным образом, в результате взаимодействия свободных электронов, направленное движение которых и образуют электрический ток при наличии напряжения. В изоляторах свободные электроны отсутствуют. Поэтому теплообмен в них может осуществляться только за счет механических колебаний молекул внутри кристаллической решетки, что представляет собой менее эффективный процесс.

Конвективный теплообмен описывается эмпирическим соотношением, предложенным Ньютоном:

dq / dt = h T,

где h — коэффициент конвективного теплообмена (теплоотдачи). Данный коэффициент не является постоянной для данного материала величиной. Он зависит от характеристик системы, геометрии твердого тела, свойств жидкости, разности температур Т. Определение h является одной из главных задач теории теплообмена и гидродинамики. Типичные значения коэффициента лежат в диапазоне от 5 до 25 Вт/м2, длявынужденнойконвекцииввоздухе— вдиапазонеот100 до500 Вт/м2.

1.9. Лучистый теплообмен

Суммарная энергия, излучаемая телом, пропорциональна температуре четвертой степени Т4 , где Т — абсолютная температура тела в градусах Кельвина (уравнение Стефана — Больцмана). Суммарная мощность излучения E, Вт/м2, вычисляется следующим образом:

Е = еσТ4 ,

где σ — константа Стефана — Больцмана, равная 5,67 · 10–8 Вт/(м2 · К4); е — коэффициент, определяющий эффективность поверхности излучающего тела (степень черноты тела).

Максимальной излучательной способностью, равной единице, обладает абсолютно черное тело.

15

1.10. Теплопроводность

В результате беспорядочного движения молекул и соударений между ними происходит непрерывное изменение скоростей (энергий) частиц газа. Если существует пространственная неоднородность плотности, температуры газа или упорядоченного движения отдельных его слоев, то на тепловое движение молекул накладывается упорядоченное движение, которое и выравнивает эти неоднородности, т. е. происходит перенос тепловой энергии.

Теплопроводность возникает при наличии разности температур в различных слоях газа и в одномерном стационарном случае (Т = Тх) описывается уравнением Фурье:

dQ = –k · dT/dx · dS · dt,

где dQ — количество тепла, переносимое за время dt через площадку dS в направлении нормали х к этой площадке в сторону убывания температуры; dT / dx — градиент температуры; k — коэффициент теплопроводности, численно равный количеству тепла, переносимому через единицу поверхности за единицу времени, при градиенте температуры, равной единице.

1.11. Тепловое излучение

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение тела, обусловленное возбуждением атомов или молекул тела вследствие их теплового движения. Интенсивность теплового излучения и его спектральный состав зависят от температуры, химической природы и агрегатного состояния светящегося тела. При достаточно низкой температуре в тепловом излучении отсутствует видимый свет. При температуре около 550 °С тело излучает большую энергию в оптическом диапазоне, светясь тускло-красным цветом. При дальнейшем росте температуры происходит изменение цвета свечения, что используют для грубой оценки температуры (табл. 4).

Таблица 4

Свечение горячих объектов

16

Связь между спектральной интенсивностью излучения абсолютно черным телом и абсолютной температурой тела определяет закон Планка:

Eb, λ = 2π c2h–5 / exp (ch / kT) – 1,

где Еb, λ — общее количество энергии, излучаемой с единицы площади поверхности абсолютно черного тела в пределах узкого диапазона длин волн (между λ и λ + dλ); c — скорость света; h — постоянная Планка; k — константа Больцмана; Т — абсолютная температура.

1.12. Коэффициент облученности

Для расчета интенсивности излучения на расстоянии от излучающей поверхности необходимо учитывать коэффициент облученности. Для его определения рассмотрим две поверхности. Поверхность 1 имеет излучательную способность Е1. Интенсивность излучения, падающего на малый элемент поверхности 2 (dA2), можно определить, если известна энергия, излучаемая малым элементом поверхности dA1 в пределах элементарного телесного угла, под которым элемент dA2 виден из центра элемента dA1:

dq / dt = IndA1 cos Θ1 · dA2 cos Θ2 / r2.

Тогда лучистый тепловой поток, падающийна элемент поверхности dA2, равен dq / dt = dq / dA2 = IndA1 cos Θ1 соs Θ2 / r2.

Но величина dA1 cos Θ1 / r2 представляет собой телесный угол, под которым элемент dA1 виден из центра элемента dA2. Интегрируя по поверхности А1 и полагая, что In = E / π, получаем

A1

q / dt = E ∫ cos Θ1 cos Θ2 dA1 / πr2 = θЕ.

0

Величина θ называется коэффициентом облученности. Общий коэффициент облученности для области, составленной из суммы площадок, будет равен их сумме.

2. ПОЖАР КАК ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ НА РЕАЛЬНЫХ ОБЪЕКТАХ ГОРЕНИЯ

Изучение физико-химических основ развития и тушения пожаров целесообразно начать с определения самого понятия пожара как физического явления. Согласно ГОСТу 12.1.064-76 пожар — это «неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб». Для специалистов пожар-

17

ной охраны можно дать более развернутое определение: пожаром называется процесс горения, возникший непроизвольно (или по злому умыслу), который будет развиваться и продолжаться до тех пор, пока либо не выгорят все горючие вещества и материалы, либо не возникнут условия, приводящие к самопотуханию (случай весьма редкий, но возможный), либо не будут приняты специальные активные меры по его локализации и тушению. Из этого определения можно сделать следующие выводы:

1.Горение есть главный и основной процесс на пожаре, так как без горения никакой пожар невозможен. С точки зрения пожарного специалиста, горением называется сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным выделением тепла, дыма и световым излучением, в основе которого лежат быстротекущие химические реакции окисления в атмосфере кислорода воздуха. Особенностями горения на пожаре от других видов горения являются: склонность к самопроизвольному распространению огня до максимальных размеров; сравнительно невысокая степень полноты сгорания; интенсивное выделение дыма, содержащего продукты полного и неполного окисления.

2.Поскольку процесс горения возникает непроизвольно или по злому умыслу, то никакие предварительные меры не могут полностью исключить вероятность его возникновения.

3.Для уменьшения степени опасности пожара и величины материального ущерба от него необходимо применять весь накопленный арсенал предварительных конструктивных и профилактических средств и методов по его предотвращению; а в случае его возникновения принимать активные меры по его локализации и тушению.

Таким образом, для снижения пожарной опасности любого объекта следует предусмотреть максимум профилактических, конструктивно-технологических, организационных и других мероприятий, направленных на недопущение возникновения пожара. В случае возникновения пожара необходимо принять ряд конструктивно-планировочных и технологических решений, способствующих снижению интенсивности его развития и локализации зоны горения и задымления, а также тушению пожара специальными технологическими приемами, автоматическими и стационарными системами пожаротушения или путем привлечения сил и средств пожарной охраны в минимально короткое время.

На пожаре одновременно протекает много различных процессов и явлений, одни из которых более или менее просты и понятны, другие — чрезвычайно сложны, одни присущи всем пожарам, другие — возникают только на некоторых.

Так, для всех пожаров характерны следующие процессы: во-первых, горение

свыделением в зоне горения тепла и продуктов горения; во-вторых, массообмен (точнее, газообмен), осуществляемый по механизму конвективных газовых потоков, обеспечивающих приток свежего воздуха (кислорода) в зону горения и отвод продуктов горения из нее (СО2, Н2О и др.); в-третьих, передача тепла из зоны горения в окружающее пространство (в том числе, горючим материалам),

18

без которого невозможно непрерывное самопроизвольное продолжение процесса горения, развитие пожара и его распространение, что приводит к потере механической прочности несущих конструкций и их обрушению, взрыву емкостей высокого давления, сосудов и резервуаров с горючими жидкостями и газами, выходу из строя приборов, оборудования и т. д. Тепло, передаваемое из зоны горения, осложняет обстановку на пожаре, затрудняет ведение активных действий по его локализации и тушению. Все перечисленные процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Другие явления встречаются лишь на некоторых видах пожаров. К ним относятся: выделение продуктов неполного сгорания и токсичных продуктов разложения горючих веществ; задымление; деформация или обрушение конструкций; разрыв стенок резервуаров со сжатыми газами; взрыв сосудов и резервуаров с горючими газами; повреждение коммуникационных систем (электросиловых, связи, водоснабжения и др.); выброс горючих жидкостей и т. п. Эти вторичные явления чрезвычайно важны, особенно с точки зрения предупреждения пожаров, тактики тушения и организации боевой работы на пожаре.

Особую опасность с точки зрения динамики развития пожаров представляют взрывы. Взрывы, как правило, возникают внезапно, развиваются с большой скоростью и сопровождаются выделением огромной механической энергии. Они обладают большой разрушительной силой и нередко сопровождаются человеческими жертвами. Взрыв есть не что иное, как выделение относительно большого количества энергии в конечном (ограниченном) объеме за сравнительно короткий промежуток времени. Под взрывом в данном случае подразумевается процесс интенсивного выделения тепловой энергии горючей смеси при сгорании ее в ограниченном объеме. В этом случае выделившееся тепло недостаточно быстро отводится в окружающее пространство. Оно идет в основном на нагревание и расширение продуктов горения и приводит к резкому повышению давления в замкнутом объеме. Когда давление превышает конструкционную прочность сосуда или резервуара, это приводит к механическому разрушению последнего. Взрыв горючей смеси может произойти внутри сосуда, резервуара, реактора, отдельного помещения или здания, приводя не к разрушению, а лишь к резкому повышению давления и температуры внутри. Подобные случаи, как правило, не представляют собой опасности и приводят только к нарушению технологического режима или временному прекращению производственного процесса. Другие, более специфичные случаи, такие как взрыв, обрушение, обрыв коммуникаций, рассматриваются более подробно в других специальных дисциплинах.

В результате архитектурно-планировочных решений и индустриальных методов строительства были созданы огромные производственные помещения. С одной стороны, повысилась огнестойкость зданий, усовершенствовались и стали более безопасными системы, освещения, отопления, вентиляции и др. В городе, где преобладают здания I степени огнестойкости, пожар редко распро-

19

страняется за пределы одного здания, секции или даже одной-двух квартир. Но, с другой стороны, огромные производственные цехи площадью в десятки тысяч квадратных метров, высотные здания с лестничными клетками и лифтовыми шахтами, зрительные залы, павильоны и административные здания на десятки тысяч человек представляют повышенную пожарную опасность. Нерешенными остаются вопросы незадымляемости эвакуационных путей, прогнозирования динамики пожара, направления и интенсивности его распространения. С развитием химической промышленности и технологии производства синтетических полимерных материалов широкое применение для отделки зданий нашли новые конструкционные и декоративно-отделочные материалы. Они легки, технологичны, высокопрочны, долговечны, красивы и экономически более выгодны. Многие из них — это горючие материалы, обладающие токсичными свойствами и большой дымообразующей способностью. Воспламенение таких материалов способствует заполнению помещений продуктами горения и распространения их в эвакуационные пути и смежные помещения. Поэтому в случае возникновения пожаров на таких объектах складывается обстановка, представляющая особую сложность с точки зрения динамики развития пожаров, токсичности продуктов горения, изыскания средств и методов эффективного прекращения процессов горения. Для решения таких проблем разрабатываются новые профилактические меры конструктивно-планировочного характера, а именно: внедряются различного рода автоматические, стационарные и привозные системы тушения пожара; особое внимание уделяется обеспечению безопасности людей на случай пожара или взрыва.

В последние годы значительно повысилась взрывная и пожарная опасность многих видов производств, что обусловлено рядом факторов. Резко повысилась мощность энергосиловых установок. Возросли температуры и давление в технологических установках и аппаратах; расход горючих газов, жидкостей, сыпучих и твердых горючих материалов. В настоящее время в резервуарных парках хранятся сотни тысяч тонн горючих и легковоспламеняемых жидкостей. На заводах полипропилена, полистирола, синтетических волокон обращаются сотни тонн горючих веществ, находящихся в особо пожароопасном состоянии. Добыча, хранение и транспортировка горючих жидкостей и газов возросли до небывалых ранее масштабов. Появилось много новых высокопроизводительных, но пожаро- и взрывоопасных методов технологической обработки сыпучих горючих материалов, обрабатываемых в «кипящем слое», когда они находятся во взвешенном состоянии винтенсивныхвосходящихтокахгорячеговоздухаилисмесигазовсвоздухом.

Современный промышленный объект требует новых, более эффективных приемов и способов тушения пожаров. Одной водой невозможно потушить пожар в резервуаре с ЛВЖ, ГЖ емкостью в десятки тысяч кубометров или на газовом фонтане с большим дебитом газа; без новых огнетушаших средств порошкового типа невозможно успешно потушить пожар, связанный с горением

20