 |
Возникновение и развитие газообмена при пожаре
|
|
|
|
Статическое давление газовой смеси внутри помещения и воздуха снаружи изменяется по высоте в соответствии с законом Паскаля. В первом приближении можно считать, что это распределение является линейным и описывается выражением: р = р 0 – ρ gh, где р – давление столба газа высотой h, Па; р 0 – давление газа на базовой плоскости (h = 0), Па.
До пожара распределение давлений воздуха по высоте внутри и снаружи помещения, как правило, складывается так, что в верхней части давление больше, а в нижней части – меньше атмосферного (рис. 12).
Рисунок. 12 - Распределение давлений внутри и снаружи помещения: сплошная линия – эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная линия – эпюра давлений воздуха внутри помещения
ПРД
h
∆ р >0
∆ р < 0
h 0
h н.з
Δ р = 0
На некоторой высоте давление воздуха внутри равно давлению снаружи. На этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, которая называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается h н.з.
Через все отверстия, расположенные выше ПРД, воздух вытекает из помещения, ниже ПРД – поступает в помещение (см. рисунок 12).
Возникновение очага горения в помещении сразу вызывает повышение давления газовой среды, так как объем продуктов горения, даже при нормальных условиях, больше объема израсходованного воздуха. Среднеобъемная температура и, соответственно, плотность газовой среды в первый момент изменяются незначительно. В соответствии с выражением p = p 0 – ρ gh распределение давлений по высоте помещения также остается практически неизменным. В результате этого давление газов внутри помещения на всех уровнях возрастает на одну и ту же величину, эпюра давлений смещается практически параллельно, ПРД опускается. При этом, как правило, ПРД оказывается ниже нижней отметки проема, и газы вытекают из помещения через все имеющиеся отверстия (открытые проемы, щели и т. п.) независимо от их расположения. Процесс горения в такой ситуации развивается за счет запаса кислорода, имевшегося в помещении.
|
|
|
По мере развития процесса горения среднеобъемная температура повышается, плотность газовой среды уменьшается – эпюра давлений поворачивается. Одновременно с этим снижается концентрация кислорода
в газовой среде, которая поступает в зону горения – в результате скорость выгорания уменьшается. Соответственно уменьшается скорость расширения газовой среды, и давление внутри помещения начинает снижаться – эпюра давлений смещается влево, ПРД поднимается. Через проемы, расположенные ниже ПРД, в помещение поступает воздух, через проемы, расположенные выше ПРД, выталкивается образующаяся смесь газов, состав которой изменяется по мере развития процесса горения.
Газообменом на внутреннем пожаре является вентиляция помещения, инициируемая процессом горения и тесно с ним взаимосвязанная.
Основными параметрами газообмена являются:
– требуемый расход воздуха, кг/с, – расход воздуха, необходимый для полного сгорания материала с данной массовой скоростью;
– фактический расход воздуха, кг/с, – масса воздуха, поступающего в помещение при пожаре в единицу времени;
– коэффициент избытка воздуха α, равный отношению:
(1)
Требуемый расход воздуха находится по формуле
(2)
где – удельная массовая скорость выгорания, кг/(м2·с);
S п – площадь пожара, м2;
– теоретический объем воздуха необходимый для горения, м3/кг;
|
|
|
ρв – плотность воздуха, кг/м3.
В качестве примера рассмотрим пожар в помещении с одним открытым проемом.
В ходе развития пожара параметры процессов горения, тепло- и газообмена изменяются. Во многом это определяется положением плоскости равных давлений относительно верхней и нижней отметок проема.
В начальный момент возникновения притока воздуха в помещение плоскость равных давлений, как правило, оказывается на уровне потолка.
По мере развития процесса горения и, соответственно, увеличения объема выделяющихся газов она опускается. Это продолжается до тех пор, пока массовая скорость выгорания горючего v м не достигнет максимального значения.
Пока ПРД располагается выше верхней отметки проема, газы из помещения не удаляются, и проем работает только на приток воздуха. Если ПРД находится между верхней и нижней отметками проема, выше ПРД из помещения выходят нагретые газы, ниже – в помещение поступает воздух. В тех случаях, когда ПРД опускается ниже нижней отметки проема, приток воздуха в помещение прекращается, интенсивность горения уменьшается, массовая скорость выгорания падает. Вследствие этого уменьшается объем выделяющихся газов и, соответственно, давление в помещении. Плоскость равных давлений поднимается, и в помещение поступает воздух.
Для оценки фактического расхода воздуха рассмотрим ситуацию в момент времени, когда ПРД располагается между верхней и нижней отметками проема на высоте h 0 относительно пола. ПРД будем считать базовой плоскостью, на которой давление газов р г и воздуха р в равны р 0. Давление на этом уровне примем в качестве точки отсчета – p 0 (см. рисунок 13).
Δ p > 0
Δ p < 0
h
h
h
h 0
p г = p 0 − ρг gh
p в = p 0 + ρв gh
Рисунок 13 - Схема распределения давлений и газовых потоков при пожаре в помещении:стрелками показано направление движения газовых потоков; сплошная линия – эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная линия – эпюра давлений газовой среды внутри помещения
Тогда на расстоянии h от ПРД давление газов будет равно p г = p 0 – ρг gh,воздуха – p в = p 0 + ρв gh (ρгиρв – плотности газов и воздуха, соответственно).
Разность давлений газа (внутри помещения) и воздуха (снаружи) на расстоянии h будет равна:
|
|
|
выше ПРД Δ p = (ρв–ρг) gh > 0;
ниже ПРД Δ p = (ρг–ρв) gh < 0.
Поскольку нас интересует не направление действия Δ p, а его абсолютная величина, можем записать: |Δ р | = (ρв– ρг) gh. Величина Δ p является избыточным статическим давлением, которое создает динамическое давление, равноеρω2/2 (ω – линейная скорость потока воздуха или газа).
Массовые расходы воздуха G в,
(3)
При достижении стационарного режима газообмена, когда h 0 перестает изменяться и некоторое время находится на одном уровне, G г ≈ G в.На других стадиях пожара они различаются не более чем на 10–15 % [15].
Это позволяет в каждый момент времени считать процесс газообмена квазистационарным при G г ≈ G в. Тогда, приравняв правые части выражений (7) и (8), получим выражение для оценки положения ПРД относительно нижней отметки проема:
(4)
Подставив выражение (9) в выражение (8) и учитывая, что произведение ВН равноплощади проема S пр, получим:
(5)
Проведем анализ этой формулы. Коэффициент сопротивления проема изменяется в пределах 0,6–0,7. Можно считать, что μ = 0,65. Используя уравнение Клапейрона, плотность газовой среды можно представить как
(6)
где Т 0 – температура воздуха, К;
Т п – температура пожара, К.
Плотность воздуха обычно принимается равной 1,2 кг/м3, а T 0 = 293 К (то есть 20 °С). Тогда ρг ≈ 352 / T п. Допустим, что в ходе развития пожара температура возросла от 100 до 1000 °С. Соответственно ρг понизилась с 0,944 до 0,277 кг/м3. Если проемность помещения не изменилась, то G в уменьшился от. То есть при 10-кратном повышении температуры пожара массовый расход воздуха изменяется менее чем на 40 %. Поэтому фактический массовый расход воздуха, поступающего в помещение, приближенно можно оценить как
|
|
|
G в≈. (7)
Произведение называется параметром проемности помещения. Чем выше интенсивность газообмена, тем больше холодного воздуха поступает в помещение, тем больше из него удаляется нагретых газов.Поэтому в помещениях с большой площадью вскрывшихся проемов максимальная температура пожара должна быть ниже. Соответственно, искусственное увеличение интенсивности газообмена путем применения вентиляторов, дымососов, вскрытия конструкций и т. д. в ходе тушения пожара должно приводить к понижению температуры газовой среды в очаге.
Однако так бывает не всегда.
Режимы внутренних пожаров
Поскольку G г ≈ G в, увеличение интенсивности газообмена должно приводить к снижению температуры пожара. Однако величина G в взаимосвязана с массовой скоростью выгорания v м.Экспериментально установлено, что при стационарном газообмене v м зависит от проемности.
Если при данной проемности помещения скорость притока воздуха к поверхности горения не обеспечивает максимальную скорость выгорания, увеличение G в (а значит, и G г) приводит к росту v м и q п. При этом q ср становится больше нуля – Т п повышается. Такие пожары называются регулируемыми вентиляцией (ПРВ). В тех случаях, когда массовая скорость выгорания и, следовательно, теплота пожара максимальны для данного горючего, при увеличении притока воздуха они не изменяются, т. е. q п остается неизменной. Однако увеличение G г, равно как и притока в помещение холодного воздуха, приводит к тому, что q ср становится меньше нуля и Т п снижается (рис. 18). Такие пожары называются регулируемыми нагрузкой (ПРН).
Таким образом, ПРН – режим пожара, при котором массовая скорость выгорания определяется характеристиками пожарной нагрузки и не зависит от изменения притока воздуха в помещение, ПРВ – режим пожара, при котором расход воздуха, поступающего в помещение, лимитирует массовую скорость выгорания. В помещениях с различной проемностью может устанавливаться одинаковая среднеобъемная температура. Однако обстановка на пожаре может существенно различаться. Как правило, пожары, регулируемые вентиляцией, более опасны, чем пожары, регулируемые нагрузкой. Они протекают при недостатке воздуха. Поэтому горючие газы, выделяющиеся в результате пиролиза или испарения горючего материала,внутри помещения полностью не сгорают. Это приводит к увеличению объема пламени, выбрасываемого наружу через проем, что увеличивает опасность распространения пожара на верхние этажи здания. Следует отметить, что большую роль в этом играет форма проема – соотношение его ширины В и высоты Н.
|
|
|
Недостаток воздуха при ПРВ приводит к тому, что дым, проникающий в смежные помещения, также содержит продукты неполного сгорания и несгоревшие газы. Концентрация этих веществ за время свободного развития пожара может превысить верхний концентрационный предел распространения пламени. При вскрытии проема в такое помещение (например, для подачи ствола) происходит образование и воспламенение горючей смеси, сопровождающееся выбросом пламени.
Искусственное увеличение притока воздуха при ПРВ в первый момент вызывает некоторое понижение среднеобъемной температуры газов. Однако в дальнейшем новый приток воздуха к поверхности горения приводит к росту массовой скорости выгорания и повышению температуры пожара. Как показали исследования ВНИИПО, в результате увеличения площади проема при ПРВ температура пожара может возрасти в 2 раза. То же самое при ПРН может вызвать снижение Т п на 45 %.
Таким образом, в зависимости от режима пожара вмешательство в газообмен при его тушении может привести к прямо противоположным результатам, что является следствием взаимосвязи и взаимозависимости процессов горения, тепло- и газообмена.
|
|
|
