Под развитием пожара понимают изменение основных параметров пожара во времени и пространстве. Основными изменяющимися во времени параметрами пожара в помещении являются площадь пожара, температура пожара, интенсивность задымления. Эти параметры можно не только измерять, но и с помощью расчетов прогнозировать их развитие.
Как правило, тушение пожара начинается через 20-30 минут свободного развития, когда все параметры пожара уже достигли своего максимального значения. При проведении тушения необходимо учитывать тот факт, что длительное влияние высоких температур на строительные конструкции отрицательно сказывается на несущей способности последних.
Для снижения пожарной опасности промышленных объектов их необходимо оснащать автоматическими системами пожарной сигнализации и тушения, которые включаются на первых фазах развития пожара и способны или полностью прекратить горение, или сдерживают развитие пожара.
Для унификации методики определение огнестойкости строительных конструкций на основании проведения натурных опытов пожаров в жилых и промышленных зданиях была предложена зависимость температуры пожара от времени его развития:
t = 345 lg (8t +1),
где t - время развития пожара, мин.
Такой температурный режим называется стандартным температурным режимом. Он отражает только экспериментальные данные и только при условии, что пожар развивается как неограниченный.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОЖАРА
В общем случае температура пожара в ограждении зависит от:
- объема помещения;
- времени развития пожара;
- площади пожара;
- количества пожарной нагрузки;
- вида горючего вещества (теплоты сгорания, массовой скорости выгорания, линейной скорости распространения горения);
- интенсивности газообмена;
- теплопотерь на нагревание конструкций;
- количества и температуры воздуха, который поступает в помещение и т.д.
Массовая скорость выгорания и площадь пожара, которая определяется линейной скоростью распространения горения, зависят от времени развития пожара, температуры и интенсивности газообмена. Связь между температурой пожара и интенсивностью газообмена очень сложная и зависит от конкретных свойств вещества, которое горит, и особенностей помещения, где происходит пожар.
Если воздухообмен в помещении не ограниченный, то интенсивность горения увеличивается, возрастает температура в зоне реакции горения. С другой стороны, воздух имеет относительно низкую температуру, поэтому с увеличением его потока температура пожара (являющаяся среднеобъемной температурой газовой среды в помещении) будет падать. Какой из этих двух факторов будет определяющим, зависит от конкретной ситуации. При анализе ситуации необходимо также учитывать, что продукты неполного сгорания образуются независимо от коэффициента избытка воздуха (в верхней части диффузионного пламени горение всегда происходит при недостатке кислорода).
КРИТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА В ОГРАЖДЕНИИ
При пожаре в ограждении тепло и массообмен ограниченны ограждающими конструкциями, тепло и дым накапливаются в помещении, а потому зона теплового влияния и зона задымления изменяются. (Зона задымления характеризуется сниженным содержанием кислорода и повышенным содержанием токсичных веществ, а зона теплового влияния характеризуется критической температурой, при которой происходят физические изменения конструкционных материалов.) С развитием пожара настанет момент времени, когда все помещение будет охвачено зонами теплового влияния и задымления и пребывание в нем людей будет невозможно. Такое время называют критическим временем развития пожара.
Критическое время развития пожара – время от возникновения горения до достижения критической для организма человека температуры или снижения концентрации кислорода ниже предельно допустимых значений. Критическое время развития пожара зависит от объема помещения, площади пожара, теплоты сгорания, массовой скорости выгорания.
Следует учитывать, что при снижении концентрации кислорода в воздухе до 16% происходит потеря сознания, а при снижении концентрации ниже 14-15 % в организме человека начинаются необратимые процессы, и может наступить смерть.
Повышение температуры в помещении, в котором происходит пожар, определяет критическое время развития пожара по температуре. Критическим значением температуры считается 700С и пребывание людей в помещении с такой температурой считается невозможным.
Под температурным режимом пожара понимают изменение температуры пожара во времени. Существует три основных модели, которые описывают температурный режим при пожаре в ограждении:
- Дифференциальная модель.
- Интегральная модель.
- Зонная модель.
Наиболее полной является дифференциальная модель, в которой энергетический и материальный баланс пожара представлен в виде дифференциальных уравнений. Дифференциальная модель позволяет определять температуру пожара в произвольной точке помещения на любой стадии развития пожара. Точность полученных результатов зависит от принятых при расчетах предположений. При достаточно полном охвате условий тепло и масообмена может быть полученный довольно точный результат. Работа с дифференциальной моделью сопряжена с использованием сложных математических расчетов с использованием вычислительной техники, и потому на практике использование дифференциальной модели затруднено.
Наиболее простой моделью температурного режима пожара в помещении является интегральная модель, которая имеет дело со среднеобъемными параметрами (температурой, концентрацией дыма и ядовитых компонент газовой среды). Недостатком такой модели является весьма приблизительный учет пространственных зависимостей опасных факторов пожара.
Зонная модель расчета температуры предполагает, что при горении материала в помещении образуются несколько зон, в которых протекают разнообразные физические процессы, связанные с тепло и массопереносом.
Первая зона - зона горения, в которой непосредственно происходит сгорание материалов, выделение энергии в лучистой форме, образование нагретых продуктов горения. В этой зоне температура все время развития пожара остается постоянной и равняется температуре горения. В расчетах зону горения заменяют точечным источником тепла, который располагают ниже уровня поверхности.
Вторая зона - это дымогазовая колонка, имеющая форму перевернутого конуса, который начинается на месте "точечного" пожара. В дымогазовой колонке разогретые продукты горения быстро поднимаются под действием архимедовых сил в верхние прослойки помещения. При этом в нижней части дымогазовой колонки за счет высокой скорости следования потока происходит активное подсасывание холодного воздуха в нагретый поток, что приводит к снижению как концентрации продуктов горения так и их температуры в колонке. В средней и верхней части дымогазовой колонки подсасывания холодного воздуха практически не происходит.
Третья зона – прослойка возле потолка. В помещениях с ограниченной высотой (менее 6 метров) дымогазовая колонка разбивается на поверхности перекрытия, и продукты горения равномерно растекаются вдоль потолка в горизонтальном направлении. В прослойки возле потолка нагретые продукты горения практически не перемешиваются с холодным воздухом помещения, но толщина этой прослойки в процессе горения постоянно нарастает.
Четвертая зона - зона холодного воздуха. В этой зоне на начальном этапе пожар практически не ощущается. Здесь находится основная масса окислителя, который диффундирует в зону горения и поддерживает развитие пожара.
Принято считать, что радиус колонки определяется как 18 % от его высоты, толщина слоя продуктов горение под потолком – 1 % от высоты колонки, а расстояние, на которую опускается мысленная точка горения, – 1,5 диаметра ячейки пожара:
R = 0,18 H; hпот. = 0.01H; hвообр. = 1.5 dпож
Между всеми выделенными зонами протекают процессы тепло- и масопереноса. Горючие вещества и окислитель реагируют между собою в первой зоне, здесь получаются продукты горения, происходит выделение энергии в виде теплоты пожара. Во второй зоне происходит массоперенос и перенос энергии из первой зоны в прослойку возле потолка, где накапливаются продукты горения и тепло. Здесь протекает активный теплообмен между продуктами горения и ограждающими конструкциями. Между зоной холодного воздуха (IV) и остальными зонами тоже протекает процесс тепло- и масообмена. Четвертая зона подвергается нагреванию тепловым излучением от нагретых продуктов сгорания. Она одновременно является резервом окислителя.
Конечным результатом тепло- и масообмена будет полное заполнение продуктами сгорания объема помещение и практически равномерное нагревание его.
Основные процессы масопереноса протекают в дымогазовой колонке. Температура в середине факела Тад зависит от теплотворной способности горючего вещества и массовой скорости выгорания.
В самой дымогазовой колонке по мере удаления от источника горения объем продуктов горение увеличивается, а температура снижается. Температуру непосредственно в дымогазовой колонке можно определить как:
где Qпож = h Qн/ vм Sпож – теплота пожара, кВт;
Н – высота дымогазовой колонки, м;
tо - начальная температура среды в помещении, оС.
Вне дымогазовой колонки (третья зона) максимальная температура продуктов горения находится непосредственно на границе колонки. При удалении от этой границы температура снижается. Поле температур в верхней части помещения у потолка описывается уравнением
Скорость вертикального перемещения продуктов горения в димогазової колонка (R < 0.18*Н) является функцией теплоты пожара и может быть определена по формуле
Горизонтальное перемещение продуктов горения в припотолочном слое (R > 0.18*Н) может быть определена, как:
Время прохождения теплового импульса от зоны горения до припотолочного слоя можно определить, как:
Минимальное количество энергии, которое может привести к повышению температуры до критического значения, может быть определено из уравнений:
в дымогазовой колонке (R < 0.18*Н)
в прослойки возле потолка (R > 0.18*Н)
Зонная модель дает хорошие результаты при расчете температуры в припотолочной зоне и времени роста температуры в этой части помещения до значений, при которых должны сработать системы пожарной автоматики.
Использование зонной модели помогает определить температуру над источником пожара на любой высоте, рассчитать скорость подъема продуктов сгорания и скорость нарастания температуры. Эта модель используется при расчете времени срабатывание датчиков пожарной сигнализации.