Пожар, его продолжительность и площадь.

Пожар - это сложный комплекс неразрывно связанных физических и химических процессов, среди которых основным является процесс горения. Для поддержания горения на пожаре необходим постоянный газообмен - приток свежего воздуха в зону химических реакций и удаление из нее образующихся продуктов. Параметры пожаров подразделяются на физико - химические и геометрические. К основным параметрам относятся; площадь и периметр пожара; фронт распространения горения; расход го­рючего; высота пламени; скорость распространения горения; скорость выгорания; температура пожара; интенсивность излучения пламени; интенсивность газообмена; плотность задымления и его количественные характеристики по составу дыма; удельная теплота пожара; продолжительность пожара. При пожарах на открытом пространстве происходит газообмен зоны химических реакций с окружающей средой. При внутренних пожарах газообменом фактически является вентиляция помещения через проемы в ограждающих конструкциях, вызванная и регулируемая процессами горения и теплообмена. Основными параметрами внутреннего пожара являются следующие.

Продолжительность (время) пожара - t_п. Продолжительностью пожара называется время с момента его возникновения до прекращения процесса горения. Процесс горения может прекратиться самопроизвольно (самозатухание пожара), в результате выгорания горючего или применения огнетушащих веществ. В последнем случае t_п складывается из времени свободного развития и времени тушения. Площадь пожара - S_п. Площадью пожара называется площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость. Как правило, используется проекция зоны горения на горизонтальную плоскость. Горение жидкостей и газов является гомогенным. Горение ТГМ может протекать как в гомогенном, так и в гетерогенном режимах. Поэтому в площадь пожара включаются участки поверхности, на которых происходит как гомогенное, так и гетерогенное горение. Составляющая площади пожара, над которой существует пламя - S_гомог зависит от притока воздуха в зону горения. При небольших размерах факела приток воздуха обеспечивает образование горючей смеси практически во всем его объеме. Тогда S_гомог = S_п. По мере распространения пожара, края фронта пламени удаляются друг от друга и воздуху все труднее проникать в зону горения. В результате этого внутри факела образуется область, в которой выделяющимся газообразным продуктам пиролиза не хватает окислителя для сгорания. На внутренних пожарах часто встречается ситуация, когда нехватка кислорода приводит к ограничению объема пламени. Наступает момент, когда площадь, над которой возможно пламенное горение (S_гомог), ограничена притоком воздуха, а общая площадь пожара увеличивается за счет роста площади гетерогенного горения (S_{гетерог}).

Площадь поверхности горения - S_пг. Этот параметр характеризует реальную площадь горючего, которая участвует в горении, т.е. выделяет горючие газы при пиролизе или испарении, а также взаимодействует с окислителем в гетерогенном режиме. Площадь поверхности горения определяет интенсивность выделения тепла на пожаре. Линейная скорость распространения пожара - v_л (м/с, м/мин). Под этим параметром понимают путь, который на данном объекте проходит фронт пламени в единицу времени. Величина v_л определяет площадь пожара на данный момент. Она зависит от вида горючего, характеристик пожарной нагрузки и ее размещения, вида пожара и др. факторов. Площадь пожара в реальных условиях зависит не только от скорости распространения пламени по поверхности ТГМ, но и от скорости его перехода с одного предмета на другой. Поэтому на v_л влияет также характер размещения горючих изделий и материалов на объекте, интенсивность теплового излучения, направление и скорость газовых потоков. При рассредоточенной пожарной нагрузке интенсивности излучения от горящего предмета может быть недостаточно для воспламенения материалов соседних предметов. Тогда пожар не распространится на всю площадь объекта и останется локальным. Величина v_л зависит также от состава газовой среды, поступающей в зону горения. Так, на внутренних пожарах, по мере развития процесса горения, концентрация кислорода в газовой среде уменьшается, температура пламени и, соответственно, его излучательная способность снижаются. Это приводит к уменьшению скорости распространения пламени по поверхности горючего. Вместе с тем, температура газовой среды в помещениях часто достигает температуры воспламенения материалов до того как пожар охватит все помещение. В этих случаях перед фронтом пламени образуется газовоздушная смесь на нижнем концентрационном пределе, по которой пламя распространяется со скоростью до 50 м/с, т.е. практически мгновенно. Это явление называется общей вспышкой.

Массовая скорость выгорания. По физическому смыслу этот параметр представляет собой скорость газификации горючего. Он показывает, какая масса ТГМ или жидкости при горении переходит в газообразное состояние в единицу времени. Очевидно, что чем больше площадь поверхности, с которой происходит газовыделение, тем выше потеря массы. Поэтому различают массовую скорость выгорания абсолютную, приведенную и удельную. Теплота пожара показывает какое количество тепла выделяется на пожаре в 1с. Температура пожара - Т_п. Температурой открытых пожаров считается температура пламени. Она зависит, главным образом от вида горючего. Для наиболее распространенных ТГМ действительная температура горения составляет около 1150°С, жидкостей - 1250°С, газов - 1350°С. Температурой внутренних пожаров на практике считается среднеобъемная температура газовой среды в помещении. Она ниже температуры горения материалов на открытом пространстве. Так, при горении ТГМ в помещении, среднеобъемная температура газовой среды редко превышает 1000°С. Коэффициент избытка воздуха -a характеризует количество воздуха, которое при пожаре не участвует в горении. На внутренних пожарах, при наличии газообмена помещения с окружающей средой а находится как отношение расхода воздуха фактически поступающего через проемы (G_в) к теоретически необходимому для сгорания материала с массовой скоростью v_л (Gв⁰): а = G_в / Gв⁰ (1.2).  Следует иметь в виду, что коэффициент избытка воздуха относится к объему всего помещения. Непосредственно в зоне горения практически всегда недостаток воздуха. По величине a можно оценить концентрацию кислорода (f_к) в продуктах горения из выражения: a ~ 21/(21 -f_к) (1.3) Если при развитии пожара f_к понизится до значения, предельного для горения данного горючего материала, то резкий приток воздуха может вызвать объемную вспышку и выброс пламени в смежное помещение.

По своей природе процесс горения представляет собой химическую реакцию между горючим веществом и окислителем, которая протекает с выделением тепла. Часть тепла расходуется в зоне химических реакций на нагрев продуктов горения, часть - передается в окружающую среду в виде излучения, конвекции и теплопроводности. Если бы тепло, выделяющееся в зоне горения, расходовалось только на нагрев газовой среды внутри помещения, то ее максимальная температура постепенно достигала бы температуры пламени. Однако часть тепла, выделяющегося в зоне горения, поглощают строительные конструкции, часть теряется в результате излучения через открытые проемы, затрачивается на нагрев горючих материалов (главным образом в ходе начальной стадии пожара), уносится из помещения вместе с продуктами горения через проемы. Во время пожара присутствуют все три вида теплообмена. Однако их соотношение может быть разным в зависимости от вида пожара, стадии его развития, свойств горючего вещества. Появление очага горения в помещении сразу вызывает повышение давления газовой среды т.к. объем продуктов горения, даже при нормальных условиях, больше объема израсходованного воздуха. Температура и плотность при этом изменяется незначительно. В соответствии с законом Паскаля (Р = Р₀ - рgh, где: Р₀ - давление столба газа на уровне пола, Р - давление столба газа на расстоянии h от пола, р - плотность газа, g- ускорение свободного падения) распределение давлений по высоте помещения также остается практически неизменным. В результате этого эпюра давлений внутри помещения на данном этапе смещается практически параллельно относительно эпюры давлений наружного воздуха (рис. 1.1) и газы вытекают из помещения через все имеющиеся отверстия (открытые проемы, щели и т.п.) независимо от их расположения. Приток воздуха в помещение извне отсутствует, и процесс горения развивается за счет воздуха, находящегося в помещении.

Рис. 1.1. Распределение давлений при пожаре в помещении: а) при появлении очага горения; б) при развившемся пожаре.

Стрелками показано направление движения газовых потоков. Сплошная линия - эпюра давлений воздуха снаружи, пунктирная - эпюра давлений газовой среды внутри помещения. По мере развития процесса горения и увеличения размеров очага температура газовой среды в помещении повышается, плотность (р_г) падает, угол наклона эпюры давлений возрастает. В результате этого наступает момент, когда давление газов (Р_г) в верхней части помещения становится несколько больше атмосферного (Р_в), в нижней части - меньше и на каком-то уровне - равно атмосферному (рис. 1.1). Т.е. на этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, на которой выполняется условие DР=Р_г - Р_в = 0. Она называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается Н_нз. Через все отверстия, расположенные выше ПРД из помещения удаляются газы, ниже ПРД - поступает воздух (см. рис. 1.1б). При этом расход воздуха через проемы определяется высотой ПРД относительно нижней отметки проема - к₀.