Пожар и его развитие. Способы прекращения горения на пожаре.

Пожар и его развитие

Понятие пожара.

Пожар представляет собой сложный физико-химический процесс, включающий помимо горения явления массо- и теплообмена, развивающиеся во времени и пространстве.

Эти явления взаимосвязаны и характеризуются параметрами пожара: ско­ростью выгорания, температурой и т. д. и определяются рядом условий, многие из которых носят случайный характер.

Явления массо- и теплообмена на­зывают общими явлениями, характер­ными для любого пожара независимо от его размеров и места возникнове­ния. Только ликвидация горения мо­жет привести к их прекращению. При пожаре процесс горения в течение достаточно большого промежутка вре­мени не управляется человеком. След­ствием этого процесса являются боль­шие материальные потери.

Общие явления могут привести к возникновению частных явлений, т. е. таких, которые могут или не могут про­исходить на пожарах. К ним относят: взрывы, деформацию и обрушение тех­нологических аппаратов и устано­вок, строительных конструкций, вски­пание или выброс нефтепродуктов из резервуаров и другие явления.

Возникновение и протекание част­ных явлений возможно лишь при соз­дании на пожарах определенных благоприятных для этого условий. Так, деформация или обрушение стро­ительных конструкций происходят лишь в зданиях или на открытых про­изводственных установках, чаще при большой продолжительности пожа­ров; вскипание или выброс нефтепро­дуктов лишь при горении темных и обводненных нефтепродуктов или при наличии подтоварной воды (водяной подушки) и т.д.

Пожар сопровождается еще и социальными явлениями, наносящими обществу не только материальный, но и моральный ущерб. Гибель людей, термические травмы и отравления токсичными продуктами горения, воз­никновение паники на объектах с массовым пребыванием людей и т. п.– тоже явления, происходящие на по­жарах. И они тоже частные, так как вторичны от общих явлений, сопро­вождающих пожар. Это особая группа явлений, вызывающая значительные психологические перегрузки и даже стрессовые состояния у людей.

Статистический учет пожаров, ве­дущийся в нашей стране и других развитых странах, позволяет выявить примерное распределение ущерба и гибели людей по зданиям различного назначения от опасных факторов пожара, Под опасным фактором пожа­ра понимают фактор пожара, воз­действие которого приводит к трав­мам, отравлению или гибели челове­ка, а также к уничтожению (по­вреждению) материальных ценностей.

Опасными факторами пожара (ОФП), воздействующими на людей, являются:

• открытый огонь и искры;
• повышенная температура окружаю­щей среды, предметов и т. п.;
• токсичные продукты горения, дым;
• пониженная концентрация кислорода;
• падающие части строительных конст­рукций, агрегатов, установок и т.п.;
• опасные факторы взрыва (ГОСТ 12.1. 004–85).

Гибель людей в основном происхо­дит на ранних стадиях развития пожа­ра преимущественно от удушья. Чаще всего на пожаре погибают дети, пожилые люди и инвалиды.

Рост числа пожаров, величина материального ущерба и человеческих жертв определяются концентрацией производства, увели­чением производительности ранее из­вестных и созданием новых, опасных в пожарном отношении технологий, увеличением плотности населения, уровнем оснащенности пожарных ча­стей, несвоевременностью принятия мер и т. д.

Таким образом, на пожарах проис­ходят различные явления, взаимо­связанные друг с другом. Они проте­кают на основе общих физико-химических и социально-экономичес­ких законов, характеризуются соответ­ствующими параметрами, знание ко­торых позволяет определить количест­венные характеристики каждого явле­ния, необходимые для качественной оценки обстановки на пожаре (фор­мирования вывода на основе обобще­ния и анализа сведений о явлениях, сопровождающих пожар) и принятия оптимального решения на его тушение. С целью детального изучения пожа­ров и разработки тактики борьбы с ними все пожары классифицируются по группам, классам и видам. Класси­фикация их производится на основе распределения по признакам сходства и различия.

Классификация пожаров.

По условиям массо- и теплообмена с окружающей средой все пожары разделены на две большие группы – на открытом пространстве и в ограждениях.

В зависимости от вида горящих материалов и веществ пожары разделены на классы А, В, С, D, Е, F и подклассы А1, А2, В1, В2, Д1, Д2 и ДЗ.

К пожарам класса А относится горение твёрдых веществ. При этом, если горят тлеющие вещества, например древесина, бумага, текстильные изделия и т.п., то пожары относятся к подклассу А1; неспособные тлеть, например пластмассы, – к подклассу А2.

К классу В относятся пожары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей. Они будут относиться к подклассу В1, если жидкости нерастворимы в воде (бензин, дизтопливо, нефть и др.) и к подклассу В2 – растворимые в воде (например, спирты).

Если горению подвержены газы, например водород, пропан и др., то пожары относятся к классу С, при горении же металлов – к классу Д. Причём подкласс Д1 выделяет горение лёгких металлов, например алюминия, магния и их сплавов; Д2– щелочных и других подобных металлов, например натрия и калия; ДЗ – горение металлосодержащих соединений, например металлоорганических, или гидридов.

К классу Е относится горение материалов в электрических установках под напряжением.

К классу F относятся пожары ядерных материалов, радиоактивных веществ и радиоактивных отходов.

По признаку изменения площади горения пожары можно разделить на распространяющиеся и нераспространяющиеся.

Классифицируют пожары по размерам и материальному ущербу, по продолжительности и другим признакам сходства или различия.

Кроме того, в классификации следует отдельно выделить подгруппу пожаров на открытых пространствах – массовый пожар, под которым понимают совокупность отдельных и сплошных пожаров в населённых пунктах, крупных складах горючих материалов и на промышленных предприятиях. Под отдельным пожаром подразумевается пожар, возникающий в отдельном здании или сооружении. Одновременно интенсивное горение преобладающего числа зданий и сооружений на данном участке застройки принято называть сплошным пожаром. При слабом ветре или при его отсутствии массовый пожар может перейти в огневой шторм.

Огневой шторм – это особая форма пожара, характеризующаяся образованием единого гигантского турбулентного факела пламени с мощной конвективной колонкой восходящих потоков продуктов горения и нагретого воздуха и притоком свежего воздуха к границам огневого шторма со скоростью не менее 14 – 15 м/с.

Пожары в ограждениях можно разделить на два вида: пожары, регулируемые воздухообменом, и пожары, регулируемые пожарной нагрузкой.

Под пожарами, регулируемыми вентиляцией, понимают пожары, которые протекают при ограниченном содержании кислорода в газовой среде помещения и избытке горючих веществ и материалов. Содержание кислорода в помещении определяется условиями его вентиляции, т.е. площадью приточных отверстий или расходом воздуха, поступающего в помещение пожара с помощью механических систем вентиляции.

Под пожарами, регулируемыми пожарной нагрузкой, понимают пожары, которые протекают при избытке кислорода воздуха в помещении и развитие пожара зависит от пожарной нагрузки. Эти пожары по своим параметрам приближаются к пожарам на открытом пространстве.

По характеру воздействия на ограждения пожары подразделяются на локальные и объёмные.

Локальные пожары характеризуются слабым тепловым воздействием на ограждения и развиваются при избытке воздуха, необходимого для горения, и зависят от вида горючих веществ и материалов, их состояния и расположения в помещении.

Объёмные пожары характеризуются интенсивным тепловым воздействием на ограждения. Для объёмного пожара, регулируемого вентиляцией, характерно наличие между факелом пламени и поверхностью ограждения газовой прослойки из дымовых газов, процесс горения происходит при избытке кислорода воздуха и приближается к условиям горения на открытом пространстве. Для объёмного пожара, регулируемого пожарной нагрузкой, характерно отсутствие газовой (дымовой) прослойки между пламенем и ограждением.

Объёмные пожары в ограждениях принято называть открытыми пожарами, а локальные пожары, пожары, протекающие при закрытых дверных и оконных проёмах, – закрытыми.

Основные параметры пожара.

Каждый пожар представляет собой единственную в своем роде ситуацию, определяемую различными событиями и явлениями, носящими случайный харак-тер, например изменение направления и скорости ветра во время пожара и т.п. Поэтому точно предсказать развитие пожара во всех деталях не представляется возможным. Однако пожары обладают общими закономерностями, что позволяет построить аналитическое описание общих явлений пожаров и их параметров.

Основные явления, сопровождающие пожар – это процессы горения, газо- и теплообмена. Они изменяются во времени, пространстве и характеризуются параметрами пожара. Пожар рассматривается как открытая термодинамическая система, обменивающаяся с окружающей средой веществами и энергией.

Рассмотрим основные параметры, характеризующие процесс горения.

К основным факторам, характеризующим возможное развитие процесса горения на пожаре, относятся:

• пожарная нагрузка;
• массовая скорость выгорания;
• линейная скорость распространения горения (пожара);
• площадь пожара, площадь поверхности горящих материалов;
• температура пламени;
• интенсивность выделения тепла;
• дымообразование;
• концентрация дыма.

Под пожарной нагрузкой понимают количество теплоты, отнесённое к единице поверхности пола, которое может выделиться в помещении или здании на пожаре.

Под скоростью выгорания понимают потерю массы материала (вещества) в единицу времени при горении. Процесс термического разложения сопровождается уменьшением массы вещества и материалов, которая в расчёте на единицу времени и единицу площади горения квалифицируется как массовая скорость выгорания, кг/(м²×с).

Линейная скорость распространения горения (пожара) представляет собой физическую величину, характеризуемую поступательным движением фронта пламени в данном направлении 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 ограждениях понимают среднеобъёмную 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 интенсивность выделения тепла при пожаре. Это величина, равная по значению теплу, выделяющемуся при пожаре за единицу времени. Она определяется массовой скоростью выгорания веществ и материалов и их теплового содержания. На интенсивность тепловыделения влияют содержание кислорода и температура среды, а 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 или изменяется со временем.

При пожаре выделяются газообразные, жидкие и твёрдые вещества. Их называют продуктами горения, т.е. веществами, образовавшимися в результате горения. Они распространяются в газовой среде и создают задымление.

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

Под дымообразованием на пожаре принимают количества дыма, м³/с, выделяемого со всей площади пожара.

Концентрация дыма – это количество продуктов горения, содержащихся в единице объёма помещения. Её можно выразить количеством вещества, г/м³, г/л, или в объёмных долях.

Экспериментальным путём установлена зависимость видимости от плотности дыма, например, если предметы при освещении их групповым фонарём с лампочкой в 21 Вт видны на расстоянии до 3 метров (содержание твёрдых частичек углерода 1,5 г/м³) – дым оптически плотный; до 6 метров (0,6-1,5 г/м³ твёрдых частичек углерода) – дым средней оптической плотности; до 12 метров (0,1- 0,6 г/м твёрдых частичек углерода) – дым оптически слабый.

Условия прекращения горения. Принципы прекращения горения.

Процесс горения – быстро протекающие химические реакции окисления и физические явления, без которых горение невозможно, сопровождающиеся выделением тепла и свечением раскалённых продуктов горения с образованием пламени.

Условия горения:

• наличие горючего вещества;
• поступление окислителя в зону химических реакций;
• непрерывное выделение тепла, необходимого для поддержания горения.

Пожар развивается на определённой площади или в объёме и может быть условно разделён на три зоны, не имеющих, однако, чётких границ: горения, теплового воздействия и задымления.

Зона горения.

Зоной горения называется часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению (подогрев, испарение, разложение) и их горение. Она включает в себя объём паров и газов, ограниченный собственно зоной горения и поверхностью горящих веществ, с которой пары и газы поступают в объём зоны горения. При беспламенном горении и тлении, например, хлопка, кокса, войлока, торфа и других твёрдых горючих веществ и материалов, зона горения совпадает с поверхностью горения. Иногда зона горения ограничивается конструктивными элементами – стенами здания, стенками резервуаров, аппаратов и т.д. Характерные случаи пожаров и зоны горения на них показаны на рис. 3.1. Зона горения является теплогенератором на пожаре, так как именно здесь выделяется всё тепло и развивается самая высокая температура. Однако процесс тепловыделения происходит не во всей зоне, а во фронте горения, и здесь же развиваются максимальные температуры. Внутри факела пламени температура значительно ниже, а у поверхности горючего материала ещё ниже. Она близка к температуре разложения для твёрдых горючих веществ и материалов и к температуре кипения жидкости для ЛВЖ и ГЖ. Схемы распределения температур в факеле пламени при горении газообразных, жидких и твёрдых веществ показаны на рис. 3.2.

Зоны горения

Зоны горения на пожарах: а – при горении жидкости в резервуаре; б – при горении внутри зданий; в – при горении угля.

Распределение температур в пламени при горении:

а – газообразных веществ; б – жидкостей; в – твёрдых материалов.

Зона теплового воздействия.

Зоной теплового воздействия называется часть пространства, примыкающая к зоне горения, в котором тепловое воздействие приводит к заметному изменению материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в нём людей без специальной тепловой защиты (теплозащитных костюмов, отражательных экранов, водяных завес и т.п.).

Если в зоне теплового воздействия находятся горючие вещества или материалы, то под действием тепловых потоков происходит их подготовка к горению, создаются условия для их воспламенения и дальнейшего распространения огня. С распространением зоны горения, границы зоны теплового воздействия расширяются, и этот процесс повторяется непрерывно.

Тепло из фронта горения распространяется в окружающее пространство, как конвекцией, так и излучением. Конвективные потоки горячих газов направлены преимущественно вверх, а количество тепла, переносимое ими в единицу времени, пропорционально градиенту температур между газом-теплоносителем и тепловоспринимающей средой, и коэффициенту теплообмена.

Зона теплового воздействия на внутренних пожарах будет меньше по размерам, чем на открытых, так как стены здания играют роль экранов, а площадь проёмов, через которые возмож­но излучение, невелика. Кроме того, дым, который выделяется на внутренних пожарах, резко снижает интенсивность излучения, поскольку является хорошей поглощающей средой. Направления передачи тепла в зоне теплового воздействия на открытых и внутренних пожарах также различны.

На открытых пожарах верхняя часть зоны теплового воздействия энергетически более мощная, поскольку конвективные токи и излучение совпадают по направлению. На внутренних пожарах направление передачи тепла излучением может не совпадать с передачей тепла конвекцией, поэтому зона теплового воздействия может состоять из участков, где действует только излучение или только конвекция или где оба вида тепловых потоков действуют совместно.

При ликвидации горения на пожарах необходимо знать границы зоны теплового воздействия. Ближней границей зоны теплового воздействия является зона горения, а дальняя определяется по двум показателям: или по термодинамической температуре в данной точке пространства или по интенсивности лучистого теплового потока. По температуре граница зоны теплового воздействия принимается в той части пространства, где температура среды превышает 60 ÷ 70°С. При данной температуре невозможно длительное пребывание людей и выполнение ими активных действий по тушению пожара.

За дальнюю границу зоны теплового воздействия по интенсивности лучистого теплового потока принимают такое удаление от зоны горения, где лучистое тепло, воздействуя на не­защищенные части тела человека (лицо, руки) вызывают болевое ощущение не мгновенно, а через промежуток времени, соизмеримый с оперативным временем, т.е. временем, необходимым для активного воздействия пожарного, вооруженного средствами тушения, на основные параметры пожара. Численную величину этого времени следует определять экспериментально на характерных реальных пожарах. Для внутренних пожаров в зданиях при средней интенсивности их развития, при современном вооружении участника тушения пожара (например, стволом тонкораспылённой воды, с раствором смачивателя или загустителя) это время условно мож­но принять равным 15 сек. Тогда, по экспериментальным данным, за дальнюю границу зоны теплового воздействия можно условно принять интенсивность лучистого потока примерно 3500 Вт/м².

Зона задымления.

Зоной задымления называется часть про­странства, примыкающая к зоне горения и заполненная дымовы­ми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здо­ровью людей или затрудняющих действия пожарных подразделе­ний.

Зона задымления может частично включать в себя зону го­рения и всю или часть зоны теплового воздействия. Как пра­вило, зона задымления – самая большая часть пространства на пожаре. Это объясняется тем, что дым представляет собой аэрозоль (смесь воздуха с газообразными продуктами полного и непол­ного горения и мелкодисперсной твёрдой и жидкой фазой), по­этому он легко вовлекается в движение даже слабыми конвек­тивными потоками, а при наличии мощных конвективных потоков, которые наблюдаются на пожарах, дым разносится на значитель­ные расстояния.

Дым определяется как совокупность газообразных продуктов горения органических материалов, в которых рассеяны небольшие твёрдые и жидкие частицы. Это определение шире, чем большинство распространённых определений дыма.

Сочетание сильной задымлённости и токсичности представляет наибольшую угрозу тем, кто находится в здании, охваченном пожаром. Статистические данные позволяют сделать вывод о том, что более 50% всех смертельных исходов при пожарах можно отнести за счёт того, что люди находились в среде, заполненной дымом и токсичными газами.

За небольшими исключениями, дым образуется на всех пожарах. Дым уменьшает видимость, тем самым он может задержать эвакуацию людей, находящихся в помещении, что может привести к воздействию на них продуктов сгорания, причем в течение недопустимо длительного периода времени. При этих обстоятельствах люди могут быть поражены вредными составляющими дыма, даже находясь в мес­тах, удалённых от очага пожара. Влияние пониженного содержания кислорода и вдыхаемых, горячих газов становится весьма значительными лишь поблизости от пожара.

Особое значение зона задымления и изменение её параметров во времени имеет на внутренних пожарах, при пожарах в зданиях и помещениях.

На открытых пожарах дым, как правило, поднимается выше зоны действия людей и редко оказывает большое влияние на выполнение тактико-технических действий. Положение зоны задымления, зависит в основном от размеров площади пожара и метеорологических условий.

При горении в зоне реакции (тонкий светящийся слой пламени) выделяется теплота Q. Часть этого тепла передается внутрь зоны горения Q_Г, а другая – в окружающую среду Q_СР. Внутри зоны горения теплота расходуется на нагрев горючей системы, способствует продолжению процесса горения, а в окружающей среде тепловые потоки воздействуют на горючие материалы, конструкции и при определённых условиях могут вызвать воспламенение их или деформацию.

При установившемся горении в зоне реакции существует тепловое равновесие, которое выражается формулой:

Q = Q_Г + Q_СР

Q – общее количество теплоты, выделенной в зоне реакции горения, кДж.

Каждому тепловому равновесию соответствует определённая температура горения Т_Г, которая иначе называется температурой теплового равновесия. При этом состоянии скорость тепловыделения равна скорости теплоотдачи. Данная температура не является постоянной, она изменяется с изменением скоростей тепловыделения и теплоотдачи.

Задача подразделений пожарной охраны заключается в том, чтобы конкретными действиями добиться такого понижения температуры в зоне реакции, при которой горение прекратится.

Ликвидация горения – это воздействие на тепловыделение и теплоотдачу. С уменьшением тепловыделения или с уменьшением теплоотдачи снижается температура и скорость реакции. При введении в зону горения огнетушащих веществ температура может достигнуть значения, при котором горение прекращается. Минимальная температура горения, ниже которой скорость теплоотвода превышает скорость тепловыделения и горение прекращается, называется температурой потухания.

В процессе тушения пожара условия потухания создаются: охлаждением зоны горения или горящего вещества, изоляцией реагирующих веществ от зоны горения, разбавлением реагирующих веществ, химическим торможением реакции горения.

В практике тушения пожаров чаще всего используют сочетание приведённых принципов, среди которых один является в ликвидации горения доминирующим, а остальные – способствующими.

Вид и характер выполнения действий по тушению пожара в определенной последовательности, направленных на создание условия прекращение горения, называют способом тушения пожара.

Способы тушения пожаров (прекращения горения) по принципу, на котором основано условие прекращения горения, подразделяются на четыре группы:

1) способы, основанные на принципе охлаждения зоны горения или горящего вещества;

2) способы, основанные на принципе изоляции реагирующих веществ от зоны горения;

3) способы, основанные на принципе разбавления реагирующих веществ;

4) способы, основанные на принципе химического торможения реакции горения.

Способы тушения пожара (прекращения горения) представлены на рис. 3.4.

Каждый из способов прекращения горения можно выполнить различными приёмами или их сочетанием. Например, создание изолирующего слоя на горящей поверхности легковоспламеняющейся жидкости может быть достигнуто подачей пены через слой горючего, с помощью пеноподъёмников, навесными струями и т.п.

Классификация огнетушащих веществ.

Огнетушащие средства по доминирующему принципу прекраще­ния горения подразделяются на четыре группы:

• охлаждающего действия;
• изо­лирующего действия;
• разбавляющего действия;
• ингибирующего действия.

Наиболее распространённые огнетушащие вещества, относящие­ся к конкретным принципам прекращения горения, приведены ниже.

Огнетушащие вещества, применяемые для тушения пожаров