Теоретические основы распространения опасных факторов пожара



В статье авторы проводят обзор теоретических основ распространения опасных факторов пожара, расчетных методик и моделей, утвержденных законодательством Российской Федерации.

Ключевые слова: опасные факторы пожара, горение, тепловой поток, температура горения, токсичные продукты горения, детерминистическая модель.

Пожар может принимать различные формы как явление. Но каждую из них можно свести к химической реакции между горючими веществами и кислородом воздуха. При надлежащем использовании данная реакция может приносить огромную пользу как источник энергии и тепла для обеспечения потребностей промышленности и бытовых нужд, но будучи неконтролируемой, она может привести к людским и материальным потерям.

Гибель людей на пожаре в основном происходит от воздействия опасных факторов, проявляющихся во время горения.

Опасными факторами пожара (далее — ОФП) называют факторы пожара, воздействие которых приводит к травме, отравлению или гибели человека, а также к материальному ущербу.

Согласно [1] к ним относятся:

— пламя и искры;

— тепловой поток;

— повышенная температура окружающей среды;

— повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения;

— пониженная концентрация кислорода;

— снижение видимости в дыму.

Для уменьшения людских потерь и безопасной работы пожарных желательно изучить характер поведения ОФП во время пожара или хотя бы иметь представление о той опасности, которую они могут представлять. Руководитель тушения пожара, отвечающий за личный состав, обязан предусмотреть проявление опасных факторов пожара и принять все необходимые меры для спасения гражданского населения и предотвращения гибели своих подчиненных. Все это он сможет сделать, только в том случае, если во время обучения получит все необходимые знания.

В настоящее время трудно представить без научно-обоснованных методик прогноза динамики ОФП разработку экономически эффективных и оптимальных противопожарных мероприятий.

Прогнозирование опасных факторов пожара необходимо:

— при создании автоматических систем пожаротушения и систем сигнализации и их совершенствовании;

— при разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре;

— при оценке фактических пределов огнестойкости;

— при планировании действий боевых подразделений на пожаре (разработке оперативных планов тушения).

С научной точки зрения ОФП являются физическими понятиями, а потому каждый из них может быть описан одной физической величиной или их совокупностью.

Пламя с физической точки зрения — это видимая часть пространства, внутри которой протекает процесс горения, и происходит тепловыделение, а также генерируются токсичные газообразные продукты, и поглощается забираемый из окружающего пространства кислород. Горение характеризуется наличием пламени при истечении газов и испарении жидкостей в атмосферу. Горение твердых веществ может быть беспламенным и пламенным. Если твердые вещества при горении не выделяют летучих, то горение беспламеннное, в противном случае — пламенное.

На пожарах горение жидкостей, газов и твердых веществ можно рассматривать как горение неперемешанных газов диффузионным пламенем, т. е. таком, при котором происходит взаимодиффузия воздуха и горючего вещества.

Кроме того, в границах пламени образуется специфическая дисперсная среда, которая под воздействием процессов рассеяния энергии световых волн вследствие их многократного отражения от мельчайших частиц получает особые оптические свойства. Процесс образования среды, которая ухудшает видимость, называется процессом дымообразования.

Таким образом, пламенная зона является «источником», который поставляет в помещение токсичные продукты горения, тепловую энергию, мельчайшие частицы, ухудшающие видимость, а также — «стоком», потребляющим кислород. Тогда пламя можно описать следующими величинами:

— площадь горения — характерные размеры очага горения;

— скорость выгорания — количество горючего материала, сгорающего в единицу времени;

— мощность тепловыделения;

— количество токсичных газов, генерируемых в пламенной зоне в единицу времени;

— количество кислорода, который потребляется в зоне горения;

— оптическое количество дыма, который образуется в очаге горения.

Тепловой поток: количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени.

Размерность теплового потока совпадает с размерностью мощности, измеряется в ваттах или ккал/ч (1 Вт = 0,86 ккал/ч). Тепловой поток, отнесённый к единице изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока, удельным тепловым потоком или тепловой нагрузкой; обозначается обычно q, измеряется в Вт/м ² или ккал/(м ² ×ч). Плотность теплового потока — вектор, любая компонента которого численно равна количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению взятой компоненты.

Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, как следствие они нагреваются до высокой температуры. Различают действительную, теоретическую и калориметрическую температуру горения. Действительной температурой горения называется температура, которая реально устанавливается в условиях пожара.

Практически, при горении веществ не вся выделяющаяся теплота расходуется на нагревание продуктов сгорания, часть ее расходуется на излучение и другие тепловые потери. Чтобы иметь возможность сравнивать горючие вещества по их способности вызывать при сгорании нагрев окружающих материалов и конструкций, вводится понятие о калориметрической и теоретической температурах горения.

Под калориметрической температурой горения понимается та температура, которую приобретают продукты полного сгорания, когда вся выделяющаяся при горении теплота расходуется на их нагревание. При этом потери тепла принимаются равными нулю.

Калориметрическая температура горения зависит не от количества горючего вещества, а только от его состава.

При вычислении теоретической температуры горения потери тепла в окружающую среду также принимают равными нулю, однако в отличие от расчета калориметрической температуры горения в этом случае учитывается расход тепла на диссоциацию продуктов сгорания.

Температура среды, заполняющей помещение, является параметром состояния.

Физическое содержание этого параметра обозначается Т, если используется размерность Кельвин или t, если используется размерность градусы Цельсия.

Наиболее высокая температура (1200–1500 К) образуется в области пространства, где протекает реакция горения, т. е. в зоне горения (пламени). Значительно ниже температура в местах, где находятся горючие пары и газы, выделившиеся из горящего вещества, и продукты сгорания.

Токсичные продукты горения характеризуются количественно концентрацией или парциальной плотностью каждого токсичного газа.

Рассмотрим воздействие основных токсичных продуктов горения на человеческий организм.

Оксид углерода СО:

— встречается везде, где происходит неполное сгорание, а также при взаимодействии СО ₂ с раскаленным углем СО ₂ + С = 2СО;

— горит синеватым пламенем;

— общий характер действия на организм — связывает гемоглобин крови;

— основные симптомы: потеря сознания, судороги, одышка, удушение. Больше всего страдает центральная нервная система, органы дыхания.

Двуоксид (диоксид углерода) СО ₂ :

— физические свойства: бесцветный газ без запаха с кисловатым вкусом;

— химические свойства: разлагается выше 1300 ^o С. Восстанавливается в СО углем, железом, цинком. Калий, натрий, магний сгорают в СО ₂ ;

— общий характер действия на организм: наркотик, раздражает кожу и слизистые оболочки. Обычно высокое содержание СО ₂ в воздухе связано с уменьшением содержания кислорода, что является причиной смерти;

— действие на человека: при 5 % концентрации вызывает раздражение дыхательных путей, слизистых оболочек, кашель, ощущение тепла в груди, раздражение глаз, потливость, головные боли, сердцебиение. Сонливость быстро исчезает при вдыхании чистого воздуха.

Хлороводород (хлористый водород) HCl:

— действие на человека: снижает возможность ориентации человека: соприкасаясь с влажным глазным яблоком, превращается в соляную кислоту. Вызывает спазмы дыхания, воспалительные отеки и, как следствие, нарушение функции дыхания. Летальная концентрация при действии в течение нескольких минут;

— образуется при горении хлорсодержащих полимеров, особенно ПВХ.

Дым:

— представляет собой совокупность газообразных продуктов горения органических материалов, в которых рассеиваются небольшие жидкие и твердые частицы. Сочетание токсичности и сильной задымленности представляет значительную угрозу находящимся в горящем здании;

— образуется при большинстве пожаров. Он уменьшает видимость, чем может создавать задержку эвакуации людей, в результате чего они могут подвергнуться воздействию других ОФП;

— количественно данный фактор описывается оптической концентрацией, которая обратно пропорционально связана с расстоянием видимости в дыму.

При нормальном давлении в воздухе содержится 24 % кислорода, азот, углекислый газ и незначительное количество других газов. Любые существенные отклонения от данного состава, особенно в сторону уменьшения концентрации кислорода — недопустимы.

При сгорании в атмосферных условиях в качестве окислителя выступает кислород. В закрытых помещениях при горении любых материалов концентрация кислорода в воздухе уменьшается, при этом затрудняется дыхание и появляется один из опасных симптомов — удушение.

Для описания термогазодинамических параметров пожара используют три основных группы детерминистических моделей: зонные, полевые и интегральные.

Выбор конкретной модели осуществляют на основе изложенных ниже принципов.

Интегральный метод является предпочтительным в следующих случаях:

— Здания, содержащие развитую систему помещений малого объема невысокой геометрической сложности;

— Помещения, в которых площадь возгорания соизмерима с площадью помещения и разница между линейными размерами помещения не превышает пятикратную;

— Предварительные расчеты для выявления наиболее опасных сценариев пожаров.

Зонный метод является предпочтительным в следующих случаях:

— Рабочие зоны, расположены в пределах одного помещения на разных уровнях;

— Помещения и системы помещений невысокой геометрической сложности, разница между линейными размерами помещения не превышает пятикратную, при условии значительного превышения размеров помещения над размерами очага возгорания.

Полевой метод является предпочтительным в следующих случаях:

— Помещения высокой геометрической сложности;

— Помещения с большим количеством внутренних преград;

— Помещения, в которых разница между линейными размерами помещения превышает пятикратную.

— Иные случаи, в которых информативность или применимость интегральных и зонных моделей вызывает сомнение.

Таким образом, наиболее детальный уровень моделирования могут обеспечить полевые модели пожара. Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т. д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, законы диффузии, законы радиационного переноса и т. п. Система уравнений, описывающих изменения во времени указанных параметров газовой среды в каждой точке пространства внутри помещения чрезвычайно громоздка. Решение названной системы осуществляется только с помощью ЭВМ. Результаты решения получаются в форме полей скоростей, температур, концентраций продуктов горения и кислорода в любой момент времени протекания пожара.

Полевая математическая модель включает в себя следующие основные уравнения:

Уравнение сохранения массы:

.

Уравнение сохранения импульса:

.

Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется выражением:

.

Уравнение энергии:

,

Уравнение сохранения химического компонента k:

,

где — время, с ;

— оси координат;

— проекции вектора скорости соответственно на оси ;

— плотность, ;

р — динамическое давление, Па ;

g — ускорение свободного падения, ;

 — ламинарная динамическая вязкость, ;

- статическая энтальпия смеси, ;

— удельная массовая изобарная теплоемкость, ;

— массовая концентрация k -го компонента смеси, ;

H _k — теплота образования k -гo компонента смеси, ;

Т — термодинамическая (абсолютная) температура, K ;

— радиационный поток энергии в направлении .

 — коэффициент теплопроводности, ;

Для замыкания системы уравнений используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет следующий вид:

,

где — универсальная газовая постоянная; — молярная масса k -ro компонента.

Данные уравнения описывают локальный мгновенный баланс. Их вполне достаточно для полного описания ламинарных потоков. К сожалению, при пожарах, так же, как и в большинстве других систем, связанных с горением, скорость и параметры состояния в конкретной точке совершают значительные флуктуации и решение данных уравнений в настоящее время требует огромных затрат машинного времени. Поэтому обычно данные уравнения приводят к осредненным свойствам, то есть разделяют каждую переменную на среднюю по времени и пульсационную составляющую.

Критическое время по каждому из ОФП при моделировании определяется как время достижения им предельно допустимого значения (ПДЗ) на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола.

Ниже представлены ПДЗ по каждому ОФП:

— тепловой поток — 1400 Вт/м ² ;

— повышенная температура — 70 ^о С;

— пониженное содержание кислорода — 0,226 кг/м ³ ;

— потеря видимости — 20 м;

— токсичные газообразные продукты горения (СО — 1,16·10– ³ кг/м ³ ; СО _2– 0,11 кг/м ³ ; HCl — 23·10– ⁶ кг/м ³ ).

На основании проведенного обзора теоретических основ распространения опасных факторов пожара, расчетных методик и моделей, утвержденных законодательством Российской Федерации, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительной для моделирования динамики ОФП применительно к различным зданиям является полевая модель.

Данная модель наиболее полно реализована в виде программного пакета Сигма-ПБ, который целесообразно использовать для исследования на объекте защиты динамики развития опасных факторов пожара и эвакуации людей.

Литература:

1. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»;
2. Приказ МЧС РФ от 30.06.2009 № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».
3. Приказ МЧС России от 12.12.2011г. № 749 «Изменения, вносимые в методику определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденную приказом МЧС России от 30.06.2009 № 382».
4. Пособие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».
5. Руководство пользователя «СИГМА-ПБ».