CC BY
26
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ
Канд. техн. наук, профессор кафедры "Организация деятельности органов и подразделений и общенаучных дисциплин", учреждение образования «Институт переподготовки и повышения квалификации МЧС Республики Беларусь»
О. Г. Лисицына
Аспирант, преподаватель кафедры "Пожарная аварийно-спасательная техника", учреждение образования «Институт переподготовки и повышения квалификации МЧС Республики Беларусь»
С. Н. Бардушка
УДК 614.841.1
ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ПОЖАРОВ В АДМИНИСТРАТИВНЫХ И ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ С МАЛЫМИ ПРОЕМАМИ
Приводятся результаты измерений температур закрытых пожаров и пожаров с малыми проемами (до 0,2 и 0,3 м2) в модельных помещениях. Показана динамика их развития. Рассмотрена возможность проявления на закрытом пожаре таких эффектов, как вспышка газов, внезапный выброс пламени и возникновение объемного горения в помещениях с различной величиной проемов (до критической и после критической). На основании полученных результатов сделаны выводы, которые могут быть применены в практике действий спасателей для уменьшения негативных последствий при возникновении рассмотренных опасных явлений пожара.
Общеизвестно, что количество пожаров в зданиях резко возрастает в осенне-зимний период [1]. Перед отопительным периодом в большинстве жилых зданий проводятся работы по утеплению домов (заклейка окон, заделка щелей, закрытие подъездов, застекление лоджий и т.д.), что приводит к значительному уменьшению инфильтрующе-гося воздуха через различные неплотности в ограждающих конструкциях. Все больше появляется высоко герметичных дверей и оконных проемов с установленными европакетами. Остаются только каналы естественной вентиляции, а также открытые населением форточки, фрамуги. Кроме того, в настоящее время повысилась устойчивость строительных материалов к тепловому воздействию.
Можно утверждать, что в указанных условиях суммарный проем в помещении обычно не превышает 0,3 м2 (например, одна открытая створка евро-пакета (1,5x0,5 м) в форточном режиме дает площадь 0,3 м2). В теплый период суммарный проем увеличивается не более чем в 3 раза по сравнению с холодным временем года.
При малой величине проема пожар самопроизвольно (без вмешательства извне) длительное время не переходит в стадию развившегося пожара, характеризующегося высокими температурами с видимым открытым пламенем.
Кратко рассмотрим динамику развития пожара в закрытом помещении с небольшими проемами. Выделим следующие фазы: начальная, стабилизации процесса, затухания.
Продолжительность начальной фазы развития внутреннего пожара определяется пределами от 3 до 10 мин при объеме помещения от 20 до 207 м3 (данные испытаний), эта фаза характеризуется максимальной скоростью роста площади горения.
Вторая фаза — стабилизация пожара — наступает после снижения выгорающей массы кислорода, имеющегося в помещении, до концентраций 14-15%. Она продолжается отполучасадо нескольких часов. Это фаза характеризуется в начале постепенным увеличением площади горения со скоростью 0,006-0,022 м/мин (данные исследований) и равномерным нарастанием температуры со скоростью приблизительно от 0,05 до 0,5°С/мин при площади проема от 0,05 до 0,175 м2, затем последующей стабилизацией температуры. При проемах более 0,2 м2 скорость прироста температуры повышается до 1-2°С/мин.
В целом вторая фаза характеризуется относительной стабилизацией газообмена, постоянством скорости выгорания веществ, а если проем более 0,2 м2, то и медленным ростом среднеобъемной температуры среды. Продолжительность второй стадии пожара зависит от удельной горючей загрузки помещений. Так как расход удаляемых из помещения газов приблизительно равен притоку поступающего воздуха и продуктов пиролиза, то в имеющемся проеме может как установиться четкая линия раздела между отходящими газами и притекающим свежим воздухом (рис. 1), так и возникнуть пульсирующая система с попеременным вы-
1
э
1 1 ■1 Ш ш
г И иВ
Рис. 1. Проем с линией раздела между отходящими газами и притекающим свежим воздухом
делением газов — продуктов горения, затем поступлением свежего воздуха и т.д. Эта пульсация особенно отчетливо видна, когда в помещении имеется только один проем. Ее периодичность составляет примерно 1-2 раза в минуту (данные исследований).
Конечная, третья — фаза затухающего пожара - характеризуется выгоранием основной массы горючих веществ и уменьшением площади поверхности горения, количества выделяющейся теплоты, температуры среды и поверхности горения. Третья фаза также может продолжаться несколько часов.
Установлено, что при условии обнаружения и оперативного прибытия ПАСП в период до 30 мин с момента возгорания, среднеобъемные температуры в помещениях квартиры с проемом 0,1-0,2 м находятся в интервале 50-110°С, наблюдается интенсивное задымление.
При прибытии ПАСП на пожар при его продолжительности более часа среднеобъемная температура в помещении может достигать 150° и более. При искусственном вскрытии такого помещения, дверных и/или оконных проемов, в интервал времени отЗсдо нескольких минут (результаты исследований [2]) с высокой вероятностью происходит вспышка накопившихся продуктов термического разложения. Пожар переходит в полнообъемный ($пож ^ $П0ла) и, как правило, сопровождается выбросом пламени в открывшиеся приточные проемы. Это явление приводит к существенному росту ущерба и, часто, к травматизму, а иногда и к гибели спасателей [3]. Такие случаи неоднократно описывались в литературе [4-6]. Над выявлением механизма возникновения и протекания данных явлений работает достаточно большое количество
Рис. 2. Модельное помещение № 1
специалистов во всем мире [7-9]. Однако остается достаточно много вопросов, требующих уточнения и объяснения. Цели работы:
• изучить характер (по возможности, количественно описать) начальной и второй стадий закрытого пожара;
• определить необходимые условия возникновения явлений общей вспышки и внезапного выброса пламени;
• наметить рекомендации по действиям спасателей, дающие возможность минимизировать риск возникновения указанных опасных явлений и ущерб от них, а также снизить вероятность травматизма спасателей.
Для выработки данных рекомендаций необходимо всестороннее изучение на модельных помещениях динамики протекания указанных процессов. Была проведена серия исследований на двух модельных помещениях объемом 20 и 207 м3.
Модельное помещение № 1 — это металлический контейнер, утепленный минеральной ватой слоем 10 см, размером 5x2x2,5 м3 (рис. 2). В качестве горючей загрузки использовали деревянные бруски пиломатериалов, уложенные в штабеля, плотность горючей загрузки — 50 кг/м2, плотность укладки — 0,65. Контроль температуры в контейнере производили с использованием восьмиканально-го прибора УКТ 38 и термопар ТПХ.
Около горючей загрузки помещали бумагу, газеты, которые поджигали факелом, после чего дверь контейнера закрывали, оставив щель около 1,2 мм (имитация неплотностей в квартирах). Контроль показаний термопар регистрировали каждые 2 мин. Результаты измерений представлены на рис. 3.
о
н
60
50
а
^
Й 40 а
и
30
20
0 12 0,27 0,39 0,51 1,03 1,15 1,27 1,39 1,51 2,05 2,27 3,23
Время, с
Рис. 3. Изменение во времени температуры закрытого пожара в модельном помещении № 1; проемы только за счет неплотностей (1,2 мм)
Модельное помещение № 2 — это контейнер объемом 207 м3 (23x3x3 м), изготовленный из металла (сталь толщиной 3 мм), утепленный изнутри минеральной ватой толщиной 5 см и защищенный металлическим кожухом (сталь толщиной 2 мм) (рис. 4). Данная изоляция позволила минимизировать тепловые потери в окружающую среду. Контейнер имел две двери с противоположных сторон (каждая размером 2x2 м ) и одну боковую дверь в центре контейнера. В контейнере моделировалась обстановка жилой квартиры. Размещались перегородки, изменяющие движение воздушных потоков и имитирующие отдельные комнаты в квартире, устанавливались модельные шкафы, препятствующие прямому прогреву стен от очага пожара. Горючая загрузка, изготовленная из древесины и имитирующая жилые комнаты, в среднем составляла 50 кг/м2. Контроль динамики изменения темпера-
туры осуществляли регистрирующими термопарами (рис. 5), была установлена видеокамера.
Для обеспечения устойчивого горения на начальной фазе в имитационный очаг пожара вносили 0,5 л дизельного топлива. Контейнер закрывали и поджигали очаг факелом через специальное отверстие. Контроль температуры проводи каждую минуту (реже — через каждые 30 с). Результаты полученных измерений температуры в модельном помещении № 2 представлены на рис. 6. Вертикальные линии на графике соответствуют моменту полного открытия двери 1х2мна1,5 мин с последующим ее закрытием.
При анализе отснятых видеоматериалов выявили, что в начальный момент (после розжига очага) высота пламени составляла 3 м и ограничивалась высотой помещения. В течение 4 мин проходило полное пламенное горение очага, зафиксировали слабое задымление. По истечении 6,5 мин пламен-
Рис. 4. Модельное помещение № 2
Рис. 5. Схема размещения термопар относительно очага горения в модельном помещении № 2
Номер термопары 1 2 3 4 5 6
Высота от пола к, м 3 1,4 1,3 0,2 1,9 3
Расстояние от очага пожара 1, м 4,4 3,9 3,3 4,2 4,7 6,6
160 140 120 100 80 60 40 20 0
А^ л—л—й— а—л—л—
7,5 12 14 0,7 4 6,5 1 4 6 Время от начала пожара, мин
9,5 12,5 15 18 25
Ряд: 1 2
3
4
5
6
Рис. 6. Изменение во времени температуры закрытого пожара в модельном помещении № 2; проемы только за счет неплотностей (1,2 мм)
1
3
5
ное горение затухало, задымление стало резко увеличиваться. Спустя 7,5 мин высота пламени составила не более 15 см и на 9,5 мин пламенное горение полностью закончилось, началось достаточно слабое тление. Температура во всем помещении стала планомерно усредняться и уменьшаться. Многократное открытие дверей, создающее приток воздуха, на время не более 1,5 мин вызывало незначительный подъем температуры (см. рис. 6), которое также не приводило в дальнейшем к нежелательным эффектам: интенсивному росту температуры и значительному газообразованию.
Выводы из первых опытов
1. Если помещение не имеет иных проемов для поступления воздуха, кроме незначительных неплотностей, то имеющегося изначально в помещении кислорода для развития в нем высоких средне-объемных температур (более 200°С), обеспечивающих вспышку газов и внезапный выброс пламени, недостаточно.
Такие же результаты показывают и теоретические расчеты среднеобъемной температуры в поме-
щении (табл. 1). При проведении расчетов были приняты следующие допущения: в помещении в качестве горючей загрузки находится древесина (мебель), бумага, пластмассовые изделия (полистирол). Количество тепла, пошедшее на нагрев воздуха в помещении, составляет 30% от общего количества выделившейся теплоты (остальное теряется в виде излучения для обогрева ограждающих конструкций и находящихся в помещении предметов обихода). Теплоемкость воздуха равна 1,024 кДж/(кг-К) (при 200°С) [10], теплотворная способность горючего вещества — древесина + картон + полистирол — составляет 20,7 МДж/кг, потребление кислорода— 1,52 кг/кг [11].
2. Среднеобъемная температура при закрытых проемах помещения не достигает даже 100°С в течение длительного времени (до 4,5 ч), наблюдаются только процессы тления.
3. Температура в помещении при закрытых проемах не повышается до критической величины (300-350°С), когда происходят разрушение остекления и переход пожара в развившийся.
Таблица 1. Расчетная температура при закрытом пожаре в помещении в зависимости от объема помещения
Помещение, в котором произошел пожар Объем помещения (масса, содержащегося воздуха), м3 (кг) Количество кислорода, пошедшего на горение, м3 (кг) Масса сгоревшего вещества, кг Количество выделившейся теплоты, МДж Расчетная температура в помещении, °С
Комната 3x5x3 = 45 (58,25) 2,7 (3,85) 1,77 36,64 184
Двухкомнатная квартира 49x3 = 147 (190,31) 8,82(12,6) 5,8 120,06 184
Трехкомнатная квартира 65x3 = 195 (252,46) 11,7(16,71) 7,8 162,46 184,8
Помещение склада 50x10x3,5 = 1750 (2265,53) 105 (150) 69 1428,30 188,5
4. Среднеобъемные температуры настолько низкие, что экзотермического пиролиза древесины не наблюдается, поэтому невозможно создание условий для возникновения внезапного развития пожара и явления выброса пламени.
Необходимо было решить следующую задачу: при каких размерах проемов в помещении возможно развитие внезапного выброса пламени и полнообъемного горения в нем. Для решения этого вопроса в модельном помещении № 1 была установлена задвижка, позволяющая регулировать величину проема и, соответственно, количество поступающего воздуха. Схема размещения термопар и горючей загрузки в модельном помещении № 1 показана на рис. 7. Результаты полученных значений температуры при изменении величины проема приведены в табл. 2.
Из табл. 2 видно, что при проеме 0,1 м2 скорость роста температуры некоторое время увеличивается, а затем выходит на стабильный режим (47-я мин), прирост температуры в среднем равен 0,07°С/мин. При проеме 0,125 м2 температура продолжает оставаться стабильной, при 0,15 м2 — после незначительного повышения температуры (примерно 7°С) опять происходят стабилизация среднеобъемной температуры, усреднение ее по помещению. При проеме 0,175 м2 картина не изменяется: небольшой подъем температуры и выход на новое температурное равновесие. При проеме 0,2 м2 после очередного подъема температура выходит на те равновесные значения, при которых уже начинаются интенсивные процессы экзотермического термолиза древесины. Термический распад
Загрузка
к = 2м; I =1м
4
, I
к = 0,5 м; I = 1 м
к = 1 м; I = 0,45 м
к = 1 м; I = 4,5 м
к = 2 м; I = 4,5 м
Таблица 2. Показания термопар и изменение среднеобъ-емной температуры во время пожара при различных площадях проема
Рис. 7. Схема размещения термопар и горючей загрузки в модельном помещении № 1
Время от Термопара Площадь Средне-
1 2 3 4 5 объемная температура в помещении, °С
начала про-
пожара, мин Температура, °С ема, м2
0 21,4 17,6 18,3 19,4 20,5 0,175 19,44
1 2 3 4 5 6 8
2 59,7 65,8 36,8 75 105,3 68,52
3 74,4 66,6 44,6 88,2 116 77,96
5 87,1 56,3 52,3 96,4 119,5 82,32
6 93,8 49,2 57,2 99,1 118,4 83,54
6,5 95 45 59 99,6 117,1 83,14
7 97,7 41,2 63,9 100,6 118 84,28
8 98,8 37,6 65,3 101,2 118 84,18
9 100,3 45,5 69,6 102,4 120,4 87,64
10 100,5 46,2 69,9 102,3 127,6 7 89,3
11 105,3 48 69,7 107,3 135 93,06
12 104,5 53,9 69,3 107 133 93,54
13 103,9 55,7 68,4 104,9 126,9 91,96
14 102,3 58,8 67,8 101,7 119 89,92
17 102,7 59,1 68,4 103,7 156,4 98,06
20 101,2 73,3 68,8 105 158,7 101,4
23 95,6 86,5 66,5 105,5 141,3 99,08
24 94,4 92,7 65,9 91,4 138,2 96,52
27 90,8 97,1 63,9 96,9 133,6 96,46
32 99,5 81,5 68,1 108,7 161,8 103,92
35 122,6 87,1 78,6 129,1 181,3 119,74
36 122,9 92,8 79,6 129,5 178,3 120,62
39 123,9 104,8 81,5 130,4 176 123,32
43 125,2 113,3 84,8 132,9 183,6 127,96
47 118,5 122 87,3 132,9 179,4 128,02
51 124,6 125 89,6 134,4 179,3 130,58
54 121,6 129,8 91 131,2 172,6 0,1 129,24
57 118,6 124,9 94,2 131,6 176,9 129,24
63 120,4 123 99 135,3 179,6 131,46
70 117,7 128,4 101 132,3 176,5 131,18
72 118,7 128,5 103,5 133 177,2 132,18
76 117,4 130,4 103,6 131,3 173,9 131,32
82 121,9 128,1 103,6 130,2 167,8 130,32
87 115,2 127,4 103,1 130,1 164,3 128,02
91 108,3 125,1 103,9 131,1 167,4 127,16
94 96,7 124,5 105,6 133,8 167,7 125,66
97 101,9 122,6 108,2 136,1 164,8 0,125 126,72
101 104,2 123,1 111,7 141,2 157,4 127,52
104 104,3 124,7 112,9 140,3 154,9 127,42
107 112,3 125,4 113,2 135,3 152,2 127,68
1
2
Продолжение табл. 2
Время от Термопара Площадь Средне-
1 2 3 4 5 объемная температура в помещении, °С
начала пожара, мин Температура, °С проема, м2
110 107,5 121,2 115,6 135,1 158,8 127,64
113 106,4 118,5 117,5 138,6 165,9 129,38
116 105,5 120,8 118,6 144,1 177,6 133,32
120 109,4 134,8 121,9 147,4 180,4 0,15 138,78
123 121,3 138,8 125,8 150 187,8 144,74
127 120,3 149,3 126,6 151,2 186 146,68
129 115,9 147,5 125,3 151,4 186,1 145,22
130 122,0 146,2 123,5 150,5 188,1 146,06
133 115,9 147,5 125,3 151,3 186 145,2
137 122,4 147,2 125,5 151,5 188,2 146,96
140 122,7 152,6 126,5 155,9 199,8 0,175 151,5
144 131,4 167,1 126,8 155,4 197 155,54
146 129,7 172,1 129,3 155,8 190,3 155,44
147 133,5 173,3 129,6 154,9 185 155,26
149 137,5 162,4 131,6 160,7 200 158,44
153 140,6 164,9 132,1 161,5 202,9 0,2 160,4
155 137,6 179,2 132,4 161,3 200,6 162,22
157 145 190,7 134,9 164,7 209,7 169
древесины начинает наблюдаться и при проеме 0,175 м2 (среднеобъемная температура 155°С), однако достаточно интенсивно он начинается при площади проема 0,2 м2. При проеме менее 0,175 м2 процессы будут протекать вяло и не приведут к возникновению опасных эффектов.
Проведенные измерения позволили определить площадь того критического проема, который приводит при вскрытии окон, дверей к резкому поступлению свежего воздуха, общей вспышке газа, переходу от закрытого пожара к развивающемуся в ограждении. Величина проема составила 0,2 м2.
Вскрытие спасателями проемов большой площади (дверь, окно) для проникновения в помещения и/или проветривания с целью ликвидации значительного задымления приводит к интенсивному доступу кислорода и молниеносному росту площади пожара. Это влечет за собой, соответственно, увеличение наносимого пожаром ущерба, появление языков пламени, доходящих до расположенных выше этажей с распространением на них огня.
При площади проема выше установленной критической (0,2 м2), а именно 0,3 м2, была определена динамика развития пожара в модельном помещении № 1. Результаты изменения во времени средне-объемной температуры приведены на рис. 8.
Из рис. 8 видно, что при выбранном проеме после некоторого индукционного периода (развитие пожара происходило от слабого источника зажигания) среднеобъемная температура в помещении устойчиво поднималась со средней скоростью 4°С/мин и по прошествии получаса достигла 200°С. При этом были зафиксированы локальные вспышки пиролизных газов в помещении по направлению поступления свежего воздуха (см. рис. 8, точка А). Языки вспышек пламени достигали в длину до 3,5 и ширину до 1 м. Интенсивность накопления горючих продуктов пиролиза такова, что можно с большой вероятностью говорить о выбросе пламени при вскрытии помещения и общем воспламенении всего горючего материала в нем.
Общие выводы
1. Протекание закрытого пожара возможно по двум сценариям: первый сценарий — проем менее 0,175 м2, температуры в помещении растут неинтенсивно, среднеобъемная температура не превышает 100°С; второй — происходит прогрев помещения выше 150°С (проем в помещении 0,2 м2 и более, например открыта форточка), что может привести к накоплению продуктов пиролиза находящихся в помещении горючих материалов. Количе-
150 100 50
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
Время, мин
Рис. 8. Изменение во времени температуры при протекании закрытого пожара при площади проема 0,3 м2
ство накопившихся продуктов пиролиза зависит от времени горения и превышения величины проема над критической, равной 0,2 м2.
2. При проеме 0,1 < S < 0,2 м2 остекление самопроизвольно не вскроется, если открытое пламя будет находится на расстоянии > 1 м.
3. Если помещение имеет суммарный проем S < 0,2 м2 и температура на входе в него на высоте 1 м < 100°С, то после вскрытия дверного (оконного) проема температура и концентрация горючих газов в течение до 4 мин не достигнут величин, при которых произойдет вспышка. Следовательно, можно проводить проветривание при условии, что в течение 3 мин на очаг горения будут поданы огне-тушащие вещества, а при движении к очагу будет производиться охлаждение и разбавление дымовых газов над и впереди себя.
4. Если помещение имеет проем 0,1 < S < 0,2 м2 и температуру в нем на высоте 1 м > 110°С, то после вскрытия дверного (оконного) проема температура и концентрация горючих газов в течение до 2 мин не достигнут величин, при которых произойдет вспышка. Следовательно, если проводить проветривание, необходимо в течение 1 мин на очаг горения подать огнетушащие вещества, одновременно проводя охлаждение окружающих дымовых газов.
5. Если помещение имеет проем S >0,2 м2 и температуру в нем на высоте 1 м > 100°С, прово-
дить проветривание нежелательно, так как время до возникновения эффекта общей вспышки значительно сокращается и может снизиться даже до величины в несколько секунд.
6. Таким образом, время, необходимое для достижения среднеобъемной температурой в помещении величины, достаточной для интенсивного выделения газообразных горючих продуктов пиролиза веществ, находящихся в помещении, при закрытом пожаре зависит от размеров проема.
7. Накопление и вспышка пиролизных газов наблюдаются при более низких температурах, чем описано в работе [6].
8. В современных многоэтажных зданиях, имеющих негорючие перекрытия и другие ограждающие конструкции, стеклопакеты на окнах, развитие пожара с большой степенью вероятности (если это не преднамеренный поджог) будет протекать по схеме закрытого пожара. Тогда возможно для предупреждения распространения пожара между этажами, даже в случае вскрытия остекления, применять на окнах, являющихся одним из основных путей перехода огня на вышележащие этажи, самосбрасывающиеся металлические роллеты, устанавливаемые или снаружи, или внутри помещения [12].
ЛИТЕРАТУРА
1. Брушлинский Н. Н., Соколов С. В., Вагнер П. Мировая пожарная статистика в конце XX века. —М.: АГПС МВД России, 2000. — 80 с.
2. Grimwood P. Taktische Brandbekampfung. — SISO 614.8, Crisis & Emergency Management Centre, Kerkstraat, Destelbergen, 2002.
3. Wiekema B. J. Vapour Cloud Explosions — an Analysis Based on Accidents // Journal of Hazardous Materials. — 1984. — № 8. — P. 295-329.
4. Croft W. M. Fires Involving Explosions: a Literature Review // Fire Safety Journal. — 1980. — № 3. — P. 3-24.
5. Fleischmann, Pagni and Williamson — Exploratory Backdraft Experiments // Fire Technology. — 1993. — V. 29, № 4. — P. 298-316.
6. Sutherland B. J. Smoke explosions Fire Engineering Research Report 99. — 15 March 1999, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand.
7. www.firetactiсs.com.
8. www.flashover.fr.
9. www.flashover-firefighers.de.
10. Гороновский И. П., Назаренко Ю. П., Некряч Е. Ф. Краткий справочник похимии. — Киев: На-уковадумка, 1987. — 829 с.
11. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М.: АГПС МВД России, 2000. — 118 с.
12. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве.
Поступила в редакцию 03.11.06.
