ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГАЗООБМЕНА ПРИ ПОЖАРЕ В ОГРАЖДЕНИИ
Газообмен – это движение конвективных газовых потоков, которые возникают за счет:
наличия самого пожара;
разности температур нагретых продуктов сгорания и холодного воздуха;
ветровых нагрузок;
принудительной вентиляции в помещении.
Движение холодного воздуха, поступающего в помещение, и дыма, который выходит из помещения, подчиняются законам гидродинамики.
Наиболее существенным фактором движения газов является протекание реакции горения. Пожар в помещении приводит к значительному повышению температуры воздуха, что увеличивает интенсивность газообмена.
На начальной стадии пожара горение протекает за счет воздуха, который находится в помещении, и газообмен с окружающей средой отсутствует. При этом некоторое время пожар не ограничивается ни пожарной нагрузкой, ни воздухообменом. С течением времени горение интенсифицируется, а выделяющаяся энергия идет на нагрев воздуха, конструкций и горючего материала.
Характерная зависимость температуры пожара Тпож и коэффициента избытка воздуха a от времени представлена на графике. Видно, что при стабилизации коэффициента избытка воздуха пожар переходит в фазу (II) развитого пожара. При этом горение стабилизируется, температура практически не изменяется, поддерживаясь на уровне приблизительно 600 оС.
При выгорании пожарной нагрузки количество воздуха, поступающего в зону горения, остается неизменным, а площадь горения снижается. Это приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха. Температура в помещении снижается.
Перепад давления, который возникает при пожаре в помещении, может усилить поступление дыма в другие части здания.
При возникновении горения в замкнутом объеме помещения над очагом горения возникают конвективные потоки продуктов горения и нагретого воздуха. Холодный воздух подсасывается дымогазовой струей в нижней части конвективной колонки. На начальной стадии, если у очага горения маленькие размеры, газовый поток не достигает перекрытия, так как охлаждается за счет теплообмена и смешивания с холодным воздухом.
При увеличении площади горения мощность теплового потока увеличивается, газовая среда над очагом горения нагревается сильнее, образуются мощные конвективные потоки, которые приводят к циркуляции всей массы газов в помещении. В нижней части колонки происходит подсос воздуха, часть которого взаимодействует с горючим веществом. Избыток этого воздуха смешивается с продуктами горения. При маленькой высоте помещения горячие потоки могут достигать перекрытия и обогревать его. Продукты горения, остывающие за счет теплопередачи у потолка и стен помещения, опускаются вниз. Непрерывная циркуляция газовых потоков сопровождается повышением среднеобъемной температуры в помещении.
Характер движения воздушных масс зависит от конфигурации помещения, наличия отверстий, и их взаимного расположения.
Если газообмен осуществляется через отверстия, расположенные на разном уровне, их можно условно разделить на приточные (из которых поступает свежий воздух в помещение) и вытяжные (из которых горячие продукты сгорания выходят в атмосферу).
Характер движения газовых потоков при этом может иметь вид:
При газообмене через одно отверстие, например открытую дверь, окно или несколько отверстий, находящихся на одном уровне, процесс притока воздуха и выхода продуктов горения осуществляется через одно отверстие. На приток работает только нижняя приблизительно третья часть отверстия.
При этом наблюдается другой характер следования газовых потоков, который изображен ниже.
Для выявления общих закономерностей газообмена принимают некоторые допущения:
1. Температура продуктов горения в помещении выше, чем температура окружающего воздуха, и с течением времени температура продуктов горения не изменяется.
2. Влиянием ветра на газообмен пренебрегают.
3. Площадь и расположение приточного и вытяжного отверстия не изменяется
4. При газообмене масса входного воздуха равняется массе выходящих продуктов горения.
На самом деле, процесс пожара практически нельзя считать стационарным, поэтому речь идет о периоде развитого пожара, когда его характеристики изменяются мало.
Плотность продуктов горения в нижней и верхней части помещения отличается от плотности окружающего воздуха. Но на некоторой высоте от уровня пола помещения давление газовой среды будет таким же, как и давление воздух вне помещения. Эту плоскость принято назвать нейтральной зоной.
Высоту нейтральной зоны, с учетом высоты приточного отверстия, можно определить из соотношения:
где Sприт - площадь приточного отверстия, м2; Sвих - площадь вытяжного отверстия, м2; r пг - плотность продуктов горения, кг/м3; r в - плотность воздуха, кг/м3; hприт - высота приточного отверстия, м. Н – расстояние (в вертикальном направлении) между центрами приточного и вытяжного отверстия.
В большинстве случаев при горении в ограждении давление изменяется незначительно, поэтому можно считать, что плотность газа обратно пропорциональна его температуре, и тогда последнее соотношение можно записать в виде
где Тв; Тпг – абсолютная температура поступающего в помещение воздуха и продуктов горения, соответственно, К.
Если воздухообмен осуществляется через отверстия, расположенные на одном уровне, нейтральная зона располагается непосредственно в плоскости отверстий, через которые происходит газообмен. При этом выше нейтральной зоны продукты горения выходят наружу, а в нижней части отверстия происходит подсос воздуха внутрь помещения. В этом случае положение нейтральной зоны определяют из соотношения:
где h - полная высота проема, через который осуществляется воздухообмен, м.
Ветровые нагрузки могут вызвать изменение поля давления вокруг здания в целом. При этом может измениться характер распределения давления с наветренной и подветренной стороны здания. Характер следования воздушных потоков имеет вид:
С наветренной стороны здания образуется избыточное давление, а с подветренной стороны давление уменьшается.
Современные производственные и административные здания оборудованы системами принудительной приточно-вытяжной вентиляции. При работе таких систем создаются воздушные потоки, которые могут, как оказывать содействие, так и препятствовать распространению пожара. Для удаления продуктов сгорания проектируются системы удаления дыма.
МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗООБМЕНА НА ПОЖАРЕ
При организации тушения пожара, а также для успешной эвакуации людей из зоны задымления необходимо проводить мероприятия по регулированию положения нейтральной зоны в помещении.
Анализ полученных зависимостей положения нейтральной зоны показывает, что положение нейтральной зоны будет тем выше, чем меньшее давление продуктов горения и большее давление свежего воздуха, который поступает в помещение. Таким образом, основными направлениями регулирования газообмена при пожаре в ограждении могут быть:
1. Снижение давления в верхней части горящего помещения, путем откачивания нагретых продуктов сгорания передвижными дымососами и использование систем принудительного удаления дыма и вентиляции помещений.
2. Повышение эффективности процесса вентиляции помещения за счет раскрытия вытяжных отверстий в зоне, где создается максимальная температура и давление продуктов горения. Для этого обычно раскрываются дымовые люки и фонари в верхней части помещения.
В некоторых случаях для выпуска дыма и снижения температуры проводят разборку перекрытий.
3. Снижение температуры и осаждение продуктов сгорания распыленными водными струями.
4. Регулирование соотношения площадей приточных и вытяжных отверстий. Нейтральная зона всегда располагается ближе к тем отверстиям, площадь которых больше. По этому, при дополнительном раскрытии отверстий в нижней части помещения, которые работают на приток, и значительном превышении их над площадью вытяжных отверстий нейтральная зона может опускаться.
5. Повышение давления воздуха в нижней части помещения путем нагнетания воздуха в нижнюю часть помещения дымососами.
6. Изменение направления следование конвективных потоков путем устройства перемычек, преград для распространения дыма с помощью воздушно - механической пены, устройства противопожарных завес и других преград.