Механизм и параметры газообмена при пожаре в помещении
Газообмен на пожаре
Управление газовыми потоками при тушении пожара является важным оперативно-тактическим действием, выполняемым с целью создания условий, способствующих успешному тушению пожара и проведению спасательных работ.
С помощью изменения газообмена на пожаре возможно уменьшить размеры зоны задымления, изменить направление распространение горения, влиять на скорость процессов, протекающих в зоне горения и т.п.
Под интенсивностью газообмене понимается скорость притока воздуха к зоне горения. Нагретые продукты горения в зоне реакции из-за меньшей плотности по сравнению с плотностью поступающего в помещение воздуха поднимается вверх, создавая избыточное давление. В нижней части помещения из-за снижения парциального давления кислорода в воздухе, участвующего в реакции окисления, создается разрежение. Высота в помещении, на которой давление в его объеме равно наружному или давлению в соседнем помещении, называется уровнем равных давлений. Нетрудно предположить, что выше этого уровня помещение заполнено дымом, ниже – концентрация продуктов горения не препятствует нахождению личного состава пожарных подразделений без средств защиты органов дыхания. Если на уровне равных давлений в помещении провести условную плоскость, то ее можно назвать плоскостью равных давлений. Наступает момент, когда часть проема, работавшего только на приток к зоне горения свежего воздуха, начинает работать и на выпуск продуктов горения, снижая тем самым рабочую зону (ее высота около 1,5-2 м от уровня пола), т.е. зону возможной работы личного состава.
Опускание уровней равных давлений может наступить и от неправильных действий личного состава пожарных подразделений. Например, нарушение соотношения площадей приточных и вытяжных проемов, которое может иметь место в процессе боевого развертывания и проникновения ствольщиков к очагу горения.
Чем ниже располагается уровень равных давлений, тем больший объем занимает зона задымления, возникает опасность распространения продуктов горения в смежные с горящим помещения, возникновения в них очагов пожаров за счет теплосодержания газовой смеси.
Чтобы успешно бороться с пожарами, личный состав пожарных подразделений должен знать способы управления газовыми потоками на пожаре.
Первым из них можно назвать изменение аэрации здания, т.е. усиление естественного воздухообмена в нем, что можно достичь изменением площадей приточных и вытяжных проемов, т.е. открывая или закрывая существующие в здании окна, двери, проделывая отверстия в ограждающих конструкциях, устанавливая перемычки.
Если же по обстановке на пожаре требуется ввод сил и средств через дополнительное количество нижних проемов, необходимо в рекомендованных выше соотношениях увеличивать площадь верхних, через которые удаляются продукты сгорания.
Вторым способом является применение принудительной вентиляции с использованием пожарных дымососов (вентиляторов). Применение последних должно быть особо оговорено в оперативно-тактической документации, разрабатываемой на защищаемый объект. В противном случае не исключено скрытое распространение горения из одного помещения в другое по вентиляционным каналам и воздуховодам.
Применение передвижных вентустановок (дымососов) возможно в различных вариантах на пожарах: на нагнетание свежего воздуха в горящее помещение; на удаление продуктов сгорания из горящего помещения; комбинированное использование дымососов, т.е. использование части из них на нагнетание воздуха в горящее помещение, а части – на удаление дыма из него (рис. 1.).
Третий способ заключается в применении личным составом пожарных подразделений соответствующих огнетушащих веществ. Например, изменение направления движения газообразных масс при пожарах в помещениях можно достигнуть путем постановки перемычек в проемах, создания преград для распространения дыма из воздушно-механической пены средней и высокой кратности. Пена эффективно применяется и для вытеснения дыма из помещения. Но при выполнении этого способа следует принять меры к беспрепятственному продвижению ее в помещение путем вскрытия отверстий для выпуска дыма.
В процессе тушения пожара личный состав пожарных подразделений нередко применяет распыленную воду. При этом твердые частички углерода, находящиеся в дыму, осаждается за счет увлажнения, температура в помещении снижается, уменьшается концентрация некоторых растворимых в воде токсичных продуктов горения, а значит создаются более благоприятные условия для ведения боевых действий.
2. 4. Газообмен на внутреннем пожаре
Рис. 2. 11. Схема газовых потоков в помещении при пожаре:
Как известно, над всяким источником тепла формируется тепловая струя. Воздух (газ), нагретый в зоне горения до высокой температуры, уносится вверх, а взамен его к очагу пожара подтекают новые порции более холодного воздуха.
В начальной стадии развития пожара горение происходит за счет воздуха, находящегося в объеме помещений, газообмен с окружающей (внешней) атмосферой отсутствует. Нагретые в зоне горения до высокой температуры продукты горения поднимаются вверх, вовлекая по пути движения примыкающие к ним массы холодного воздуха. В результате обмена энергией тепловой струи (продуктов горения) с холодным воздухом ее скорость и температура по мере удаления от источника пожара уменьшаются и охлажденный воздух (а точнее, смесь воздуха с продуктами горения) вновь возвращаются к очагу горения. На ранней стадии, когда площадь пожара невелика, тепловая струя затухает, не достигнув верхнего перекрытия помещении (см. рис. 2.11.)
Зона горения является мощным побудителем движения воздушных масс в объеме помещения. При увеличении площади пожара мощность тепловой струи увеличивается, горячие газы с холодным воздухом частично растекаются под перекрытием, частично удаляются через проемы, а охлажденный воздух за счет потерь теплоты опускается вдоль стен вниз, попадает в зону химических реакций и, нагретый вновь, поднимается вверх. В помещении создается непрерывная циркуляция газовых потоков, температура в объеме помещения постепенно возрастает. В результате перепада температур между окружающим воздухом и горячими газами в объеме помещения (из-за разности плотностей между горячим газом и холодным воздухом
) возникает газообмен. Кроме того, поскольку объем нагретых газов больше того же объема холодных, а давление в помещении остается постоянным (
), то часть газов будет вытесняться за счет термического расширения.
То есть масса газов (
) в помещении будет постепенно уменьшаться по мере роста температуры. Взамен ушедшего из помещения газа поступает свежий воздух из окружающей атмосферы. Причиной газообмена является разность давлений столбов наружного и внутреннего воздуха, которая равна:
(2.3.)
где Δр- гравитационное давление (напор).
Основные закономерности газообмена на пожаре рассмотрим на примере помещения, показанного на рис.2.12. Поскольку пожар является нестационарным физико-химическим процессом, сделаем следующие основные допущения:
Температура газов в помещении выше, чем температура окружающего воздуха, и с течением времени температура в помещении не изменяется.
Ветровые нагрузки на здание отсутствуют.
Площади проемов 1 и 2 с течением времени не изменяются.
Масса втекающих в объем помещения газов равна массе удаляемых газов.
Рис. 2. 12. Схема распределения статического давления
в помещении при пожаре.
Когда газообмен осуществляется через один дверной или оконный проем или через несколько проемов, расположенных на одном уровне, то в этом случае через верхнюю часть проема удаляются продукты горения, а нижняя часть работает на приток свежего воздуха.
В условиях внутреннего пожара приток воздуха в зону горения и отток продуктов горения из помещения определяется геометрическими параметрами здания, такими, как высота помещения, соотношение площадей отверстий, соединяющих внутренний объем с окружающей атмосферой, их взаимным расположением и т.д.
Газообмен при пожарах в зданиях характеризуется коэффициентом избытка воздуха.
Под коэффициентом избытка воздуха на внутреннем пожаре понимают отношение фактического массового расхода воздуха, поступающего к зоне горения, к теоретически необходимому, секундному массовому расходу воздуха на процесс горения.
На рис.2.13. приведен график изменения коэффициента избытка воздуха а в объеме помещения по времени пожара.
Существенное влияние проемов на газообмен и развитие пожара происходит тогда, когда площадь пожара в 10 раз и более превышает приточную площадь проема, при 
=0,1 процесс горения резко замедляется.
ГАЗООБМЕН НА ВНУТРЕННЕМ ПОЖАРЕ.
РЕЖИМЫ ПОЖАРОВ
Причиной газообмена при пожаре в помещении является разность давлений газовой среды внутри помещения и воздуха снаружи. При развившемся пожаре распределение давлений по высоте внутри и снаружи помещения, как правило, складывается так, что в верхней части давление газов больше, а в нижней части меньше атмосферного (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Распределение давлений при развившемся пожаре в помещении:
На некоторой высоте давление газов равно давлению воздуха. 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 /?нз.
Рис. 2.2. Схема газообмена при пожаре в помещении
Основными параметрами газообмена являются:
Коэффициент избытка воздуха определяет среднеобъемную концентрацию кислорода в продуктах горения jO2 в данный момент времени. Во
Соответственно изменяется и среднеобъемная концентрация кислорода в продуктах горения. Каждое горючее вещество имеет свое значение
Если фО2 > фО пожар будет продолжаться до полного прекращения
горения в результате тушения или выгорания горючего.
График зависимости плотности продуктов горения от температуры
Рис. 2.3. Схема газообмена через несколько проемов, расположенных на разных уровнях
При установившемся процессе газообмена общая площадь проемов, работающая на приток воздуха, приближенно равна
Значение к1 берется как средневзвешенная величина
Если при развитии пожара в режиме ПРН увеличить приток воздуха в помещение, то температура газовой среды понизится, так как наружный воздух является значительно более холодным. Вскрытие проемов, откачивание дыма при ПРН также приводит к снижению температуры пожара.
При длительном развитии пожара в режиме ПРВ в помещении накапливаются несгоревшие газы. Вскрытие проемов приводит к их разбавлению
При горении штабеля древесины режим пожара можно определить по параметру Ф:
Расчетная формула для определения требуемого расхода воздуха приводится к виду
Площадь резервуара составляет
Для расчёта теоретического объёма воздуха необходимо воспользо- ваться методикой, изложенной в учебном пособии [1].
Плотность воздуха для данных условий составит
Требуемый расход воздуха равен
Рассчитать фактический расход воздуха через дверной проём размером 1,5х2,5 м и определить положение плоскости равных давлений, если в помещении в резервуаре горит гептан. Среднеобъёмная температура внутри
Фактический расход воздуха при газообмене через один проем рассчитывается по формуле (2.2):
Для нахождения плотности продуктов горения необходимо воспользоваться формулой (2.7), предварительно рассчитав мольную долю /-го продукта горения:
Молярные массы диоксида углерода, воды и азота соответственно равны 44, 18 и 28 кг/кмоль.
С учётом найденных значений мольных долей, плотность смеси продуктов горения равна
Плотность воздуха рассчитывается по формуле (2.6):
Коэффициент сопротивления проема ц примем равным 0,65. Высоту плоскости равных давлений находим по формуле (2.5)
Подставляем найденные величины в формулу (2.2):
Концентрация кислорода в продуктах горения ф0 определяет значение коэффициента избытка воздуха а при наличии газообмена помещения с окружающей средой:
Требуемый расход воздуха Ов рассчитывается по формуле (2.1):
Откуда формула расчёта площади пожара приобретает вид:
Коэффициент избытка воздуха связан с концентрацией кислорода формулой
Тогда площадь пожара равна
Контрольные задачи
1. Определить площадь пожара Sn в помещении, при которой в процессе его развития произойдёт переход в режим ПРВ, если газообмен осуществляется через один проём размером 1,5 х 1,5 м, коэффициент поверхности горючей нагрузки Кп = 4.
4. Определить положение плоскости равных давлений относительно пола при пожаре в помещении, если температура наружного воздуха 10 °С, температура пожара 340 °С, высота оконного проёма равна 1,5 м, расстояние от пола до подоконника 0,9 м.
6. Определить, во сколько раз и в какую сторону изменилась температура пожара в помещении, если плоскость равных давлений опустилась с 1,7 до 1,2 м. Высота дверного проёма 2,2 м, температура окружающей среды 15 °С.
8. Рассчитать высоту нейтральной зоны, если установившийся газообмен осуществляется через два открытых проема. Размеры проемов и их расположение указаны на рис. 2.4.
Задание для самостоятельной работы
Определить, насколько и в какую сторону изменится один из параметров газообмена на внутреннем пожаре.
Вариант задания выбирается по порядковому номеру учащегося в журнале группы.
Требуется определить значение параметра, для которого в табл. 2.1 указано «найти». Для всех вариантов задания коэффициент сопротивления проема р принять равным 0,65.
Исходные данные для самостоятельной работы
Газовый обмен при пожаре и противодымная защита здания
Распределение газовых потоков во время пожара – важный параметр. Управление ими – часть оперативных действий спасательных служб. Освобождение помещения от задымленности ускоряет процесс тушения возгорания и упрощает проведение эвакуационных мероприятий.
Газовый обмен на пожаре
Этот вид теплообмена возникает при возгорании. Физика процесса заключается в том, что воздух, нагретый в зоне воспламенения и насыщенный образующимися в результате горения газами, становится легче и всплывает, а верхние слои имеют более низкую температуру (на начальном этапе пожара) либо остывают, соприкасаясь с атмосферой или перекрытием, и опускаются.
Этот процесс продолжается циклически до изменения условий.
Различают два вида обмена – при наружных и внутренних пожарах. Более детально об этом можно узнать из следующего документа:
При внешнем возгорании, как правило, образуется дымовой столб или колонна. Их высота зависит от разницы давлений в газовом облаке и атмосферным.
Показатели газообмена обусловлены внешними факторами:
Газовый обмен при пожаре внутри здания зависит от объема и конфигу-рации строения, вентиляции, складированных материалов. Такое возгорание характеризуется значительным повышением температур, что увеличивает интенсивность процесса.
Зоны давления внутри помещения
Нагретый газ, имеющий меньшую плотность и массу, чем воздух, поднимается в верхнюю часть пространства. На нижнем участке создается разряженная атмосфера из-за выгорания кислорода, участвующего в процессе окисления. В результате возникает перепад давлений.
Уровень, на котором внутреннее и внешнее давления одинаковы (в соседних помещениях, не пораженных огнем или за пределами здания), называется плоскостью равных давлений.
Она характеризуется тем, что над этой зоной находится область сильного задымления, а под ней концентрация продуктов сгорания не является критической и позволяет дышать без использования защитных приспособлений.
Плоскость равных давлений
При внутренних пожарах помещение делится на три области, по значению показателя давление:
Плоскость равных давлений находится на поверхности нейтральной зоны. От места ее расположения зависит скорость распространения дыма и огня в смежные помещения.
Высота нейтральной зоны
Уровень расположения этой области определяется количеством и местонахожде-нием проемов – окон, дверей, вентиляционных приточных, вытяжных или совмещенного действия каналов.
Считается высота нейтральной зоны по формуле: Hn=0,5*Hp+h,
где Hp – это высота приточного проема, h – расстояние от верхней границы зоны до оси отверстия.
Параметр h для помещения с приточными и вытяжными проемами определяется выражением:
где H – это расстояние между осями приточного и вытяжного проемов.
Площади обозначаются S1 – приточного, S2 – вытяжного отверстия.
ρ3 – плотность воздуха, ρ4 – плотность газа (продуктов горения).
Приведенные выражения показывают, что:
Способы управления газовыми потоками
С помощью математической модели и выводов, которые она позволила сформу-лировать, определяются мероприятия для дымоудаления.
Увеличивая площади проемов для повышения уровня воздухообмена, можно управлять аэрацией помещения. Это делается при помощи открывания окон, дверей, включения вентиляции, проделывания дополнительных отверстий в перегородках. Таким образом, увеличивается объем нейтральной зоны.
Второй способ управления газовыми потоками – это принудительная вентиляция с помощью специальных пожарных дымососов, которые могут работать как в режиме подачи воздуха, так и на удаление дыма из помещения.
И еще одна возможность уменьшения интенсивности потока газообмена – это использование огнетушащих составов, которые снижают температуру в зоне возгорания, уменьшают доступ кислорода в область пламени.
Противодымная защита здания
Такое оборудование устанавливается для закрытых помещений с больши́м скоплением людей, а также на путях эвакуации. Эти установки удаляют продукты горения и обеспечивают приток свежего воздуха.
Нормы, которые предъявляются к противодымным установкам, определены СНиП 41-01-2003.
Виды систем
Оборудование делится на две группы. Первая – вытяжная, подразумевает организацию вывода воздушных масс, загрязненных продуктами горения из помещения.
Вторая – приточная, обеспечивает доставку достаточного количества кислорода в зону пожара.
Удаление дыма
Газообразные вредные вещества выводятся из области возгорания при помощи вытяжной системы.
Ее работа организована следующим образом:
Во время работы оборудования в помещении падает давление. Для выравнивания значения необходимо создать доступ воздуха.
Существуют системы обеспечения естественной тяги. Они выполняются путем установки вертикальных воздуховодов длиной не менее пяти метров и работают по принципу печной трубы.
Детальная информация видна на видео:
Подача свежего воздуха
Производится при помощи лопастных или радиальных вентиляторов путем захвата воздуха вне здания и доставки его внутрь.
Для ускорения этого процесса могут использоваться окна, двери и другие имеющиеся проемы.
Специальное оборудование
Для устранения дыма во время пожара предусматривается установка дымоприемных устройств.
Они размещаются так: не менее одной системы на площади до 900 квадратных метров.
Для строений разной этажности предусмотрены определенные требования по оборудованию.
| Количество этажей в здании | Нормативы |
| 1–2: производственные помещения меньше 15 кв. м. | Окна, фрамуги, находящиеся не менее чем в 2,2 метрах от пола, вертикальные воздуховоды. |
| 2–5: любые помещения, исключая первый пункт | Естественные системы дымоудаления (дымовые шахты, открываемые зенитные или незадуваемые фонари). |
| Свыше 5 | Оборудование для принудительного дымоудаления. Вертикальные воздуховоды, длиной не менее пяти метров. Приточная вентиляция. |
Направления противодымной защиты
Для многоэтажных помещений выделяются особые области, охраняемые от доступа продуктов горения. К ним относятся линии эвакуации сотрудников или населения из зданий.
Закрытые лестницы
Противодымная защита путей спасения людей при пожаре в этом случае обеспечивается:
Незадымляемые лестницы
Такие конструкции создаются двумя способами. Первый – это сооружение воздушной зоны перед выходом на лестницу. Во втором случае обустраиваются переходы с подпором воздуха.
В первом варианте межэтажные пролеты отделяются от остальных помещений стеной. В местах прохода на лестничную площадку имеется лоджия или балкон, через проемы которого будут удаляться продукты горения в случае пожара.
При применении второго способа воздушная стена не дает дыму проникнуть в защищаемую зону.
Лестницы с подпором воздуха
В таких местах устанавливается оборудование для подачи воздуха в пролеты. При этом важен верный расчет необходимого давления и безотказность работы вентилятора в критической ситуации.
Противодымная защита здания – один из способов управления газообменом во время пожара. Регламент проведения ее испытаний излагается в ГОСТ Р 53300-2009.
Управление газообменом при тушении пожаров в зданиях. В случае штатной работы оборудования, управляющего газовыми потоками, увеличивается время на безопасную эвакуацию, снижается срок локализации возгорания, и уменьшаются общие убытки от пожара.