1.1. Общие сведения о горении
Горение представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света.
Наука о горении — чрезвычайно многосторонняя область, весьма обширная и во многом еще противоречивая. Поэтому некоторые специалисты считают, что термину «горение»
трудно дать четкую трактовку.
Проявления горения весьма разнообразны. Это, например, быстрое сгорание горючих паров в двигателях внутреннего сгорания, регулируемое сжигание топлива в энергетических установках и т. д. В данной книге горение рассматривается применительно к явлениям, связанным с пожаром, который характеризуется как неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб [1].
Для возникновения и развития горения необходимо одновременное сочетание горючего вещества или материала, окислителя (обычно кислорода воздуха) и источника зажигания (при возгорании), причем эти факторы должны сочетаться в определенных количественных соотношениях. В случае когда соотношение между компонентами горючей системы (совокупность горючего и окислителя) таково, что сгорание происходит полностью и в продуктах сгорания отсутствуют исходные компоненты, имеют дело со стехиометрическои горючей системой.
На пожарах, как правило, горение происходит с недостатком окислителя, что приводит к образованию неполных продуктов сгорания. Горение некоторых веществ (ацетилен, окись этилена и др.), способных при разложении выделять большое количество тепла, возможно и в отсутствие окислителя.
Горение зависит от условий образования горючей среды, теплообмена с окружающей средой, отвода продуктов сгорания и многих других факторов. Все это объясняет многообразие видов горения.
В зависимости от свойств горючей системы горение может быть гомогенным и гетерогенным, предварительно перемешанных компонентов, и диффузионным, ламинарным и турбулентным и т. д.
Горение различных, в том числе твердых материалов, как правило, происходит в газовой фазе. Для некоторых твердых материалов (например, каменных углей) характерен переход от пламенного горения спустя определенное время, в течение которого завершится выделение летучих компонентов, к горению непосредственно конденсированной фазы, проявляющемуся в появлений раскаленной поверхности.
Такое горение является гетерогенным. К особому его виду относится тление, для которого характерны как накал конденсированной фазы, так и близко примыкающее к твердой поверхности гомогенное пламя. Сущность этого вида горения изучена недостаточно. Наиболее часто с ним встречаются при горении целлюлозных материалов (древесина, хлопок и т.д.). По-видимому, к тлению склонны также материалы, которые имеют в составе своих молекул небольшое (по сравнению с массой остальных элементов) количество кислорода. Нередко под тлением понимают беспламенное горение. По-видимому, это определение является недостаточноточным, поскольку известны не подверженные тлению, но способные беспламенно (в виде накала) гореть материалы (например, некоторые металлы). Очевидно, только высокопористые неплавя-щнеся горючие материалы, в порах которых имеется некоторое количество кислорода, достаточное для окисления некоторой части газообразных продуктов пиролиза, склонны к тлению. Режим горения в виде тления занимает, очевидно, промежуточное положение. Между режимами сугубо гетерогенного горения (в виде накала поверхности материала) и обычного диффузионного горения. Важно подчеркнуть, что некоторые материалы (например, древесина) в зависимости от условий могут гореть и в режиме тления, и в режиме пламенного диффузионного горения. Основным внешним условием горения материалов в виде тления является недостаток поступающих к горящему материалу кислорода и тепла. Если при гомогенном горении горючее вещество и окислитель не перемешаны, то происходит диффузионное горение. Такой характер горения наблюдается, например, при поступлении потока горючих паров в воздух. При горении твердых материалов такой поток образуется в результате их разложения (пиролиза) при нагреве или испарения (для плавящихся материалов). Горение при этом лимитируется либо диффузией воздуха в зону пламени, либо интенсивностью потока горючих паров, либо обоими процессами. Пожары, как правило, характеризуются диффузионным турбулентным горением. Общей чертой всех явлений и видов горения является высокая экзотермичность химических превращений.
Особенностями горения на пожаре являются способность самопроизвольного распространения огня по материалам (строительным конструкциям), интенсивное дымообразование, выделение больших количеств продуктов сгорания (в том числе продуктов неполного сгорания, обладающих повышенной токсичностью). Способностью, распространения огня характеризуется важнейший показатель пожароопасности твердых материалов
— горючесть.
Важной особенностью всех процессов горения является тот факт, что химические превращения должны идти с самоускорением. Горение может проявляться в виде процессов самовоспламенения и стационарного горения (распространения пламени).
Самовоспламенение — это самопроизвольное возникновение пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси.
Процесс самовоспламенения может проявиться лишь в виде кратковременной вспышки и не обязательно сопровождается устойчивым горением.
В отличие от самовоспламенения стационарное горение характеризуется образованием устойчивого пламени (факела при диффузионном горении). В случае ламинарного горения предварительно перемешанных смесей газообразного горючего с воздухом
(простейший вид горения) фронт пламени распространяется по холодной свежей смеси.
Пламя — это видимая зона горения, характеризующаяся свечением и излучением тепла.
Возникшее в результате воспламенения (зажигания) или самовоспламенения пламя само становится источником непрерывного потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси.
При турбулентном диффузионном горении структура очага горения и способ распространения пламени в факеле менее ясны и существенно отличаются от гомогенного горения предварительно смешанных компонентов.
Считается, что при диффузионном горении пламя является саморегулирующимся и его зона располагается в области образования горючей смеси стехиометрического состава. Однако, как отмечалось выше, диффузионное горение на пожаре сопровождается неполным окислением горючих компонентов. По-видимому, это обусловлено турбулентным характером горения на пожаре в условиях недостаточного притока кислорода. При этом могут образовываться крупные неперемешивающиеся моли с большим избытком горючих паров, которые лишь частично сгорают, а основную массу неполностью окислившихся паров выносят за очаг горения. Наглядными примерами такого характера горения являются пожары резервуаров с жидкими топливами, крупных складов лесоматериалов и др.
Возникновение и развитие процесса горения зависят от скорости химического превращения
горючей смеси и процессов тепломассообмена между пламенем, еще, несгоревшим горючим материалом и окружающей средой.
1.2.
Физико-химические основы горения
Учение о скорости и механизме химических реакций составляет предмет химической кинетики. Скорость химического превращения зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются строение молекул компонентов реакции, соотношение между их количествами и температура. Скорость химической реакции W может быть выражена следующим уравнением:
 , (1.1)
где К — константа скорости реакции (скорость химической реакции при концентрациях реагентов, приведенных к единице); Са, Сb, …, Су
— концентрации реагентов; v1, v2, …, vn — стехиометрические коэффициенты, определяемые соотношением концентраций исходных реагентов в стехиометрическом уравнении реакции [сумма показателей степеней, с которыми реагенты входят в реакцию, называется порядком реакции, а отдельные показатели степени —
частными порядками по реагентам (реакции могут быть нулевого, первого, второго, третьего и дробного порядка; размерность выражается в концентрациях, отнесенных к единице времени, а количественное соотношение между этими величинами определяется порядком реакции)]; Е —энергия активации, определяемая количеством тепла, которое надо затратить, чтобы ослабить внутримолекулярные связи реагентов до такой степени, чтобы началось их взаимодействие; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура.
Как отмечалось выше, возникновение и развитие горения возможны лишь для самоускоряющихся реакций.
Известны три механизма ускорения химических превращений — тепловой, автокаталитический и цепной. С их учетом созданы фундаментальные основы современных представлений о явлениях горения — теории теплового и цепного самовоспламенения и распространения пламени. Ведущая роль в создании и развитии этих теорий принадлежит советским ученым во главе с Н. Н. Семеновым.
Тепловая теория самовоспламенения (называемая также теорией теплового взрыва) основана на сопоставлении скоростей процессов тепловыделения при экзотермическом окислении и теплоотвода от реагирующей смеси в стенки содержащего ее сосуда.
Условие самовоспламенения определяется равенством этих скоростей. Температура стенок сосуда, при которой достигается это равенство, называется температурой самовоспламенения. Начиная с этой температуры (характерной в каждом случае для данных конкретных условий, поскольку теплоотвод зависит от этих конкретных условий — размера и формы реакционного сосуда, теплофизических свойств газа)
происходит саморазогрев, который может привести к вспышке (самовоспламенению).
С учетом изложенного для саморазогрева в реагирующей среде можно записать
 , (1.2)
где Q — тепловой эффект реакции;
W — скорость реакции; S — поверхность реакционного сосуда; V—объем реакционного сосуда; α — коэффициент теплоотдачи; Т — температура газа; Т0
— температура стенки сосуда; ρ — плотность газа; t — время; Cv
— теплоемкость при постоянном объеме.
Если в (1.2)
подставить известные данные входящих характеристик, то оценки показывают, что максимальный разогрев, приводящий к изменению режима протекания процесса окисления от медленного стационарного к очень быстрому нестационарному, завершающемуся вспышкой (самовоспламенением), составляет всего несколько десятков градусов.
Теория связывает температуру, давление и конкретные условия протекания процесса следующим уравнением:
 , (1.3)
где
v — суммарный порядок реакции; 1019
— число Авогадро; Ф — стерическвй фактор; z — число столкновений.
Д. А.
Франк-Каменецким был предложен следующий критерий теплового самовоспламенения, основанный на нарушении стационарного распределения температур в реакционном сосуде при достаточной скорости тепловыделения:
 , (1.4)
где r —
характерный размер сосуда; λ — коэффициент теплопроводности газовой смеси;
γ — безразмерный критерий, равный 3,3; 0,88 и 2 соответственно дли сферического, плоскопараллельного и цилиндрического сосудов.
Ускорение реакции может достигаться не только в результате повышения температуры при саморазогреве в ходе экзотермической реакции, но и в результате особого характера химических превращений — цепных реакций. Носителями этих реакций являются особые активные частицы — радикалы и атомы, обладающие свободными валентными связями. При столкновении этих частиц с исходными молекулами или продуктами превращения взаимодействие между ними происходит при значительно меньших значениях энергии активации, чем при молекулярных процессах. Причем в особого рода цепных реакциях — разветвленных — скорость реакции может бурно расти за счет того, что в результате взаимодействия активного центра с молекулой образуется несколько активных центров. Дополнительно созданные активные частицы начинают собственные цепи превращений, приводя к еще большему накоплению активных центров и лавинообразному нарастанию скорости суммарного процесса.
Однако в некоторых реакциях активные частицы могут взаимодействовать с другими частицами таким образом, что активные центры вообще не будут образовываться. Такие реакции ведут к обрыву цепной реакции.
Типичным примером разветвленной цепной реакции является окисление водорода кислородом при определенных условиях (в области полуострова самовоспламенения), основу которого составляют следующие элементарные акты:
Из этой схемы видно, что за один цикл превращений каждый вступающий в реакцию атом водорода приводит к образованию трех новых активных частиц (обозначаемых точками над соответствующими химическими символами). Если разветвление происходит чаще, чем обрыв цепи, то скорость реакции будет непрерывно расти и приведет в конечном счете к самовоспламенению. Причем в этом случае для ускорения реакции не требуется нагрева смеси.
Обозначив вероятность разветвления цепи через 6 и обрыв через р для изотермического ускоряющегося цепным путем процесса можно написать
 , (1/5)
где φ=δ-β — фактор ускорения цепной реакции; t — время; А — константа, определяемая начальными условиими.
Ускорение реакции определяется величиной φ. Границей, разделяющей цепные превращения с конечной скоростью и цепное самовоспламенение, является условие φ=0.
Теория цепных реакций позволила объяснить такие явления, как пределы самовоспламенения по давлению, ингибирование и промотирование горения, каталитическое влияние стенок реакционного сосуда и многие другие, которые трудно объяснить тепловыми теориями.
Необходимо подчеркнуть, что в реальных условиях пожара горение протекает по комбинированному цепочечно-тепловому механизму.
Начавшийся цепным путем экзотермический химический процесс сопровождается выделением тепла, которое обусловливает тепловое самоускорение. В этих условиях окисление носит характер так называемого вырожденного разветвления, открытого Н. Н. Семеновым, и заключающегося в том, что разветвление достигается не в каждом элементарном акте с участием АЦ, а при накоплении некоторого количества промежуточного малоустойчивого продукта, при распаде которого образуются новые активные центры. Типичным примером такого процесса является окисление углеводородов кислородом. Для таких процессов характерны многостадийный механизм превращений и доминирующее значение теплового самоускорения на завершающих стадиях. Из-за сложности таких процессов до сего времени отсутствуют общепринятые представления об их механизме. Так, для окисления даже простейшего представителя углеводородов — метана — исследователи предлагают до девяноста элементарных реакций.
Теории самовоспламенения рассматривают условия возникновения очага горения. Развитие процесса горения, горючесть веществ характеризуются их способностью распространять и поддерживать этот процесс. Современные теории распространения пламени развиты для случая ламинарного горения предварительно перемешанных газовых смесей. Рассматривается пламя, распространяющееся по нормали к его поверхности. В том случае, когда возрастающий при горений об-йем газов отвадится в окружающую среду и давление не возрастает, имеют делог с нормальной
(фундаментальной) скоростью распространения пламени Uн, а в отсутствии сброса избыточного давления — с видимой Uв. Пламя, возникшее при самовоспламенении или действии высокотемпературного источника зажигания (искра, открытое пламя), передает в соседние слои свежей горючей смеси тепло и активные частицы, которые при достаточной интенсивности потоков энергии создают самоподдерживающийся фронт пламени. Существуют тепловая и диффузионная теории распространения пламени.
Тепловая теория разработана Я. Б. Зельдовичем и основана на предположении о подобии полей температур и концентраций, во фронте пламени. При тепловом механизме распространения пламени диффузионное перемешивание свежего газа с продуктами сгорания является дополнительным, наряду с теплопроводностью, фактором переноса тепла. Для количественного описания распространения пламени необходимо решить систему уравнений неразрывности (для каждого реагента), состояния сохранения энергии, количества движения и массы. С помощью ряда упрощающих допущений и с учетом подобия полей концентраций и температуры, т.е. постоянства энтальпии в единице объема в пламени, система уравнений сохранения вещества и энергии была сведена к уравнению вида
 , (1.6)
где λ — теплопроводность; СР
— теплоемкость; ρ — плотность; W — скорость реакции (подчиняющаяся закону.
Аррениуса); Q — теплота сгорания; х — расстояние вдоль распространения пламени
(х = 0 принимается в точке, где температура Т соответствует началу реакции;
при Т=Т0 значение х = —∞; при Т=Тr
значение х=хmах).
Первый член в левой части уравнения (1.6) соответствует нагреву газа, второй член —
конвективному уносу тепла, третий член — тепловыделению. Для зоны подогрева получаем
 , (1.7)
Интегрирование уравнения (1.7) для диапазона Т0—Тр дает
 , (1.8)
где х — толщина фронта пламени; а
— коэффициент температуропроводности.
Для решения уравнения (1.6) для зоны реакции Я. Б. Зельдович предложил рассматривать узкий интервал температуры вблизи максимальной температуры, т.е. Тр
≈ Тr.
Тогда  и, следовательно, для уравнения (1.6) можно написать
 , (1.9)
Его интегрирование при начальных условиях
дает следующее выражение для градиента температур на границе зон подогрева и реакции:
 , (1.10)
С учетом  из уравнения (1.6) следует
 , (1.11)
где  — теплота сгорания;  — массовая скорость горения.
Приравняв уравнения (1.10) и (1.11) и введя разложение экспоненциального члена, получим выражение для скорости распространения пламени
 , (1.12)
где а0 — концентрация горючего в исходной смеси; К — константа скорости реакции; А — константа, определяемая физическими свойствами смеси.
Из уравнения
(1.12) следует, что  , где р — давление.
Эксперименты с углеводородными пламенами в воздухе показывают, что с повышением давления Uн уменьшается. Следовательно, суммарный порядок реакции в пламени соответствует дробному числу между 1 и 2. Это указывает, во-первых, на сложный немолекулярный механизм реакции окисления углеводородов в атмосферном пламени, а во-вторых, на важную роль в распространении пламени диффузии активных центров, поскольку диффузия обратно пропорциональна давлению.
Следует отметить, что ни одна из современных теорий горения не охватывает всего механизма химического превращения топлива в зоне пламени. В случае горения наиболее распространенного класса горючих веществ — углеводородов — наибольшее признание получила следующая схема окисления в пламени:
В соответствии с этой схемой при высокотемпературном окислении углеводородов выделяют две основные стадии—окисление исходного горючего до СО и догорание СО до СО2. Механизм реакции на каждой из этих стадий остается неясным и до сего времени дискутируется в научной литературе. Более детально механизм превращений в пламени рассматривается в главе, посвященной пожаротушению.
Здесь важно отменить, что существенную роль в распространении пламени играет диффузионный поток активных центров в свежую смесь.
Ван-Тиггеленом была предложена диффузионная теория распространения пламени, основанная на учете реакций разветвления, инициируемых в свежей смеси диффундирующими из пламени активными центрами. В результате получено следующее выражение для нормальной скорости распространения пламени:
 , (1.13)
где МR
— средняя молекулярная масса активных центров; Т — средняя температура пламени, определиемая из выражения Т=Т0+0,74(Еr—Т0);
Тв — начальная температура.
После упрощений и преобразований получено удобное для изучения кинетики процессов в пламени выражение
 , (1.14)
где (А), (В) — концентрации окислителя и горючего; υ1, υ2, υ — частные н общий порядки реакции; р — общее давление; К — константа.
Из изложенных сведений о распространении ламинарного пламени следует, что механизм распространения пламени должен рассматриваться как смешанный диффузионно-тепловой процесс. Это обстоятельство следует учитывать при анализе особенностей и характеристик горения и тушения твердых материалов, поскольку пламенное горение происходит, как правило, в газовой фазе. Необходимо также подчеркнуть, что создание количественной модели распространения пламени, основанной на смешанном механизме тепломассообмена, является одной из наиболее актуальных задач науки о горении.
Резюмируя изложенные сведения о механизмах, peжимах и особенностях горения, важно отметить, что доминирующую роль в конечном счете играет в этом процессе выделение энергии и ее запас (энтальпия) в веществе. В частности, обобщение известных сведений о предельных условиях распространения пламени (т.е.
проявления горючести) в газах указывает на то, что для того, чтобы смесь, например углеводородных газов с воздухом, стала способной к горению, необходимо, чтобы энтальпия смеси составляла около 44,1 кДж/моль. Из этого следует, что температура горения предельных смесей является постоянной для различных органических веществ, и пламя характеризуется определенной температурной границей. На основе этих особенностей разработан ряд методов расчета предедрв воспламенения различных веществ.
Понятие характерной температурной границы самоподдерживающегося пламени использовано А. Н. Баратовым [2] для расчетной оценки горючести газообразных веществ. В качестве критерия оценки горючести использована минимальная начальная температура Тх, при которой обеспечивается требуемый для достижения предельной температуры горения тепловой эффект реакции.
Из изложенной выше теории распространения пламени Я. Б. Зельдовича следует, что предельная температура составляет около 1300 К. Этот результат подтверждается большим числом опытных данных.
Критический тепловой эффект реакции QT при предельной начальной температуре Тх
можно выразить уравнением
 , (1.15)
где Q0 - стандартный тепловой эффект реакции окисления;  - суыыа произведений теплоемкостей и мольных долей компонентов исходной смеси при Т0<Т<Тх.
В соответствии с изложенным выше для QT можно также написать
 , (1.16)
где  — сумма произведений теплоемкостей и мольных долей продуктов горения при Ткр.
Приравнивая
(1.15) и (1.16), находим значение Тх, которое при Ткр =
1000 0С будет равно:
 , (1.17)
При Тх<20
0С (или другой заданной температуры в зависимости от условий)
вещество является горючим, при Тх>20 0С —
трудногорючим или негорючим. Вещество может стать горючим при нагреве всей смеси вещества с воздухом при стехиометрическом соотношении до Тх.
Таким образом, для оценки горючести гомогенных смесей достаточно написать стехиометрическое уравнение реакции окисления и выбрать справочные данные по энтальпии исходных веществ и продуктов сгорания. Необходимо при этом отметить, что трудногорючие вещества могут стать горючими при даже сравнительно умеренном нагреве (значительно ниже температуры самовоспламенения). Этот вывод особенно важен для оценки горючести материалов в условиях пожара, т.е. при температурах окружающей среды, достигающих 1000 0С, близких к температурной границе пламени. По-видимому, в этих условиях класс трудногорючих веществ и материалов отсутствует, и имеет смысл подразделять их только на горючие или негорючие.
В связи с этим оценка пожарной опасности веществ и материалов должна осуществляться по-разному в зависимости от заданных условий. Когда требуется охарактеризовать пожарную опасность веществ или материала применительно к нормальным условиях
(например, возможность возникновения и распространения горения при умеренном нагреве или от внешнего источника зажигания), то необходимо учитывать и класс трудногорючих материалов. Применительно к условиям пожара оценку следует производить по возможности достижения опасных температур, при которых возникает и развивается горение от пламенного очага. Принципы и методы таких дифференцированных подходов к оценке пожароопасности строительных материалов излагаются ниже.
1.3. Общие сведения о горении твердых материалов
Из изложенного выше следует, что даже в простейших случаях горения еще много неясного. Представления же о горении твердых материалов, характеризуемом многообразием явлений, их сложной взаимосвязью, многостадийностью, еще более ограничены. Как отмечалось выше, важнейшими для оценки пожарной опасности строительных материалов и конструкций характеристиками являются предельные условия возникновения горения и горючесть, т.е. способность материалов поддерживать распространение горения по материалу. Причем один и тот же материал в зависимости от размера образца и его расположения в пространстве при прочих неизменных условиях может быть как горючим, так и трудногорючим.
В обзоре [3], посвященном горению полимеров, отмечается, что горение газифицирующихся твердых материалов представляет собой сложный, многостадийный процесс, контролируемый массо- и теплообменом. При этом выделяются основные стадии — зажигание, распространение пламени, собственно горение, дымообразо-вание и срыв пламени, а также следующие пространственные зоны: подогрева, химических превращений в конденсированной фазе, предпламенная зона, собственно пламя и область продуктов реакции и окислителя. Зажигание твердых материалов обычно описывается с позиций упомянутых выше тепловых теорий горения. Процесс зажигания нередко характеризуют периодом индукции, во время которого происходит нагрев материала, приводящий к образованию достаточного для поддержания пламени потока газообразных горючих продуктов и инициированию образовавшихся за счет взаимной диффузии потоков горючего и окислителя горючей смеси.
При этом считается, что скорость реакции в газовой фазе на несколько порядков превышает скорость процесса в конденсированной фазе. Поэтому для обеспечения стационарного горения необходимо, чтобы в конденсированной фазе был создан определенный прогретый слой. Для времени достижения этих условий (времени задержки зажигания τз) предложено следующее выражение:
 , (1.18)
где Т0, Tf — температуры материалов начальная и пламени; Сps, Срг — теплоемкости конденсированной и газовой фаз; ав — температуропроводиость конденсированной фазы; Ws
— скорость газификации.
С помощью
(1.18) выведено выражение для количества тепла, необходимого для создания прогретого слоя
 , (1.19)
Из (1.18) и
(1.19) следует, что время задержки пропорционально температуропроводности материала и обратно пропорционально содержанию кислорода в окружающей среде.
Таким образом, доминирующую роль при горении большинства строительных материалов играет процесс газификации, который в свою очередь зависит от условия создания прогретого слоя. Важную роль при этом играет толщина материала. В зависимости от соотношения толщины материала и глубины прогретого слоя различают два случая — горение термически толстых и термически тонких материалов. Первый случай характерен для условий, при которых толщина материала много больше прогретого слоя, а второй — когда глубина прогретого слоя сравнима с толщиной материала. Повидимому, впервые это разделение было сделано ДеРисом, который рассмотрел распространение пламени по поверхности газифицирующегося материала.
Приняв ряд упрощающих допущений (реакция в газовой фазе происходит при стехиометрическом соотношении компонентов, газификация — при определенной постоянной температуре и др.) и исходя из предположения, что теплопередача от пламени к термически тонким образцам осуществляется кондукцией через газовую и твердые фазы, а к термически толстому — с участием радиации, он вывел следующие выражения для скорости распространения пламени U:
для термически тонкого
 , (1.20)
где δ — характеризует толщину слоя материала;
для термически толстого
 , (1.21)
где Vп — параметр, определяющий скорость набегающего потока окислителя.
Анализ этих выражений показывает, что в случае термически тонких образцов скорость распространения пламени обратно пропорциональна толщине материала и не зависит от давления и скорости набегающего потока, а в случае термически толстых —
пропорциональна скорости потока окисления и не зависит от толщины материала.
Дальнейшее развитие модель Де-Риса получила в работах [4, 5]. В [4] для термически тонкого и толстого образцов предложены соответственно уравнения
 , (1.22)
 , (1.23)
где β — коэффициент, связывающий скорость распространения пламени со скоростью пиролиза; L —
теплота газификации; α — коэффициент теплообмена; Qrad —
лучистый поток от пламени.
В отличие от модели Де-Риса в уравнениях (1.22) и (1.23) в явном виде представлены такие важнейшие параметры горения, как теплота сгорания, скрытая теплота газификации, коэффициент теплообмена.
В [5] на основе анализа структуры кромки пламени развиты представления о пределе распространения по твердому газифицирующемуся материалу. Рассмотрены три основные области, примыкающие к фронту пламени: зона химической реакции и примыкающие к ней области газа и горючего материала. Принимая значения температуры в зоне реакции, близкими к адиабатической для толщины зояы реакции, автор получил выражение
 , (1.24)
где Г — нормальная координата; Г* — полутолщина зоны реакции; q и W* — тепловой эффект и скорость реакции.
Для толщины зоны имеем
 , (1.25)
Тепловой слой
δт оценивался из условия равенства между тепловыделением и тепловым потоком
 , (1.26)
Отсюда  . Такое же соотношение характерно для величины критерия Дамкелера, выраженного отношением времени реакции  ко времени тепломассопереноса  (ρ, а — плотность и температуропроводность газа). С учетом RT*/Е≤1 получаем Δ≤δт и τ*≤τт. Из теории пограничного слоя следует, что толщина теплового слоя составляет
 , (1.27)
где δтм — толщина в кромке пламени; Uв, v — скорость газа и пламени относительно материала.
Учитывая, что вблизи кромки пламени  , и приравняв суммарный поток тепла из зоны реакции и окружающей среды среднему значению потока энтальпии в газовой и конденсированной фазах через поверхность, отсекающую кромки пламени, получим
где Tw — температура прогретого слоя; Гm — радиус кривизны кромки пламеии; h0=(CT0+IfL), где If, L — средние значения концентрации и теплоты испарения горючего.
С помощью преобразований в конечном счете были получены выражения для скоростей, характеризующих три типа пределов распространения пламени — по толщине слоя горючего, по теплопотерям в окружающую среду и по скорости набегающего потока.
В [6]
предложено оценивать предельные условия горения числом Дамкелера в виде
где  — характерное время диффузии (или конвекции); [Г] — концентрация горючих газов;  — число Сполдинга, характеризующее тепло-массоперенос (Qr — теплота сгорания, L — теплота газификации, r — стехиометрический коэффициент реакции).
Основываясь на теории потухания диффузионного пламени Я. Б. Зельдовича, согласно которой наинизшая температура пламени Тпр равна Tпр=Tf—3RT/E, можно предельные условия распространения пламени рассчитать из рассмотренных выше уравнений баланса тепла и массы.
Таким образом, разработана модель, с помощью которой в принципе можно оценить способность материала распространять пламя, т.е. его горючесть. Однако практически это сделать пока не представляется возможным, потому что отдельные параметры, входящие в рассмотренные выше уравнения, описывающие распространение пламени и его предельные условия, не изучены настолько, чтобы их можно точно измерить или характеризовать. В первую очередь это ограничение связано с трудностью количественного описания ведущей стадии горения твердых материалов — процесса газификации.
Вместе с тем изложенные представления о распространении пламени дают возможность качественно оценить влияние различных факторов (например, толщины материала, скорости обдува и др.) на горючесть материалов.
Механизм пиролиза при горении различных материалов изменяется не только в зависимости от их состава, но и от формы, размеров, плотности упаковки и других факторов. В присутствии кислорода пиролиз полимеров начинается на 200 0С ниже, чем при разложении в инертной среде, а эффективная энергия активации составляет около 147 Дж/моль. Причем с увеличением молекулярной массы полимера константа скорости при разложении увеличивается.
Ниже более детально рассмотрен пиролиз целлюлозы, поскольку целлюлозные материалы широко используются в строительстве.
В [7]
отмечается, что хотя по данным многих исследований для разложения целлюлозы характерен первый порядок, однако этот процесс весьма чувствителен к экспериментальным условиям (скорости нагрева газового потока, физические свойства образца, состав окружающей среды и др.). Так, кислород и водяные пары промотируют разложение. Для процесса пиролиза целлюлозы при температуре выше 550 К предложены четыре стадии: первая представляет собой внутримолекулярную реакцию, приводящую к дегидратации; вторая, конкурирующая с дегидратацией, включает разрыв связей С—О с развитием деполимеризации с образованием левоглюкозана; третья связана с разложением продукта дегидратации до образования угля и органических летучих продуктов; четвертая — ведет к образованию моноокиси углерода, диоксида углерода, воды и водорода.
Таким образом, пиролиз твердых горючих материалов, ведущий к образованию летучих горючих продуктов и тем самым обуславливающий возможность существования пламени, является чрезвычайно сложным процессом, механизм и кинетика которого сильно зависят от различных факторов. Поэтому пиролиз многих материалов остается недостаточно изученным, что в значительной степени затрудняет интерпретацию механизма горения твердых материалов и создание количественной модели этого процесса. Важно также отметить, что в результате пиролиза, многих горючих материалов и окисления его продуктов образуются газы и аэрозоли (дымы), обладающие высокой токсичностью и плотностью, что создает при пожаре дополнительные опасные факторы для людей.
1.4.
Самовозгорание
Многие материалы и особенно волокнистые обладают склонностью к самовозгоранию, т.е.
способностью самопроизвольно загораться при отсутствии внешнего источника зажигания. В зависимости от первоначальной причины процессы самовозгорания подразделяются на химические, микробиологические и тепловые. К химическим относятся случаи самовозгорания, связанные с взаимодействием горючего материала с сильным окислителем (например, загорание древесных опилок, стружек при контакте с крепкой азотной кислотой) или со способностью некоторых веществ интенсивно окисляться воздухом (например, широко известные случаи самовозгорания промасленной ветоши), а также пирофорные вещества (например, тонкоизмельченный алюминий и некоторые другие металлы и их соединения, отложения на стенках резервуаров, в которых хранятся сернистые нефти и т.д.), способные быстро загораться при контакте с воздухом. К микробиологическим относятся случаи самовозгорания материалов, которые являются питательной средой для микроорганизмов, жизнедеятельность которых имеет экзотермический характер
(например, самонагревание сена, торфяной крошки, используемой для теплоизоляции, и др.). К тепловым относятся случаи самовозгорания, обусловливаемые возникновением самовозгорания в массе материалов при их умеренном нагреве извне. При этом начало самонагревания связано с увеличением скорости экзотермического окисления материала воздухом, содержащимся в порах материала. Наибольшее самонагревание происходит в том месте, где достигаются наилучшие условия аккумуляции тепла. Этим условиям соответствуют глубинные области материалов, наиболее удаленные от его внешней поверхности.
Типичными примерами теплового самовозгорания являются случаи загорания тепловой изоляции отопительных коммуникаций и теплообменных аппаратов (известны случаи пожаров, происшедших по причине самовозгорания древесных опилок, через слой которых проходила труба центрального отопления).
Механизм теплового самовозгорания аналогичен рассмотренному выше тепловому взрыву в газах и обусловливается соотношением между процессами тепловыделения и теплоотвода в окружающую среду. Поэтому возникновение и развитие процесса самонагревания и достижение самовозгорания в простейшем случае (изотроп-.
ность массы материала и достаточное для кинетического режима окисления содержание в его порах кислорода) могут описываться уравнениями теплового взрыва, и в принципе можно применить критерий Д. А. Франк-Каменецкого [4].
Однако воспользоваться этим методом для оценки критических условий самовозгорания практически не представляется возможным из-за того, что в реальных условиях скопления материалы никогда не бывают изотропны и трудно сделать априорную оценку эффективной теплопроводности от очага самонагревания в окружающую среду.
Кроме того, по мере поглощения сорбированного в порах кислорода первоначально развивающийся в кинетическом режиме процесс самонагревания может приобрести диффузионный режим.
Следует подчеркнуть, что в конечном счете во всех видах самовозгорания доминирует тепловой механизм. Поэтому критические параметры самовозгорания оценивают обычным путем определения критических температур спонтанного ускорения процесса в зависимости от условий аккумуляции тепла. Схематически процесс теплового самовозгорания можно представить следующим образом (рис. 1.1).
Рис.
1.1. Зависимость температуры горючего материала от времени при различных начальных температурах :
1
- до наступления самонагревания; 2 - материал подвергался самонагреванию, но не достиг условий самовозгорания; 3 - материал, подвергшийся самовозгоранию
Если последовательно помещать образец материала, склонного к самовозгоранию и имеющего определенные размеры, в термостат с заданной температурой воздушной среды, то при сравнительно невысоких температурах материал будет достигать температуры среды в термостате (кривая 1). Время достижения образцом этой температуры определяется физическими свойствами материала. При достижении некоторой температуры Тсн в материале начинаются экзотермические физико-химические превращения, и он начинает самонагреваться. В зависимости от условий аккумуляции тепла самонагревание может привести либо к достижению равновесия между тепловыделением и отводимым теплом, и тогда после исчерпания способных окисляться составных частей материала его температура сравнится с температурой окружающей среды (кривая 2), либо к достижению некоторой температуры Тсв, при которой произойдет спонтанное ускорение процесса и в итоге возникнет горение (кривая 3). При этом горение может проявиться либо тлением, либо пламенем.
Важно отметить, что при достижении Тсв обязательно возникнет горение (независимо от условий ее достижения), и, следовательно, Тсв является специфическим показателем, определяемым физико-химическими свойствами вещества и имеющим характер его константы. Показатель, характеризующий начало самонагревания Тсн, зависит как от свойств вещества, так и от условий его испытания и потому не может являться константой. Этот показатель сугубо условный. Самонагревание, как правило, начинается при более низких температурах, чем это явление обнаруживается тем или иным способом измерения.
По-видимому, лишь в строго адиабатических условиях можно установить истинную Тсн.
По тепловой теории Тсв и Тсн — один и тот же показатель.
Это различие объясняется следующими обстоятельствами. Теория теплового взрыва разработана на примере самовоспламенения газов. Аккумуляция тепла в газах невелика, и очень медленно выделяющееся в начале самонагревания тепло успевает рассеиваться в окружающую среду. Поэтому разность между Тсн и Тсв
столь невелика (до 1 % от Тсв), что ею обычно пренебрегают. Иная картина наблюдается при тепловом самовозгорании твердых материалов. Разность между Тсн и Тсв является весьма значительной (до 50 % от Тсв), и пренебрегать ею нельзя. Например, для древесины по данным Тсн
=80 0С и Тсв =350 0С. Область между Тсн
и Тсв (см. рис. 1.3) характеризует диапазон температур, внутри которого существует опасность возникновения самовозгорания, но не всегда, а лишь при определенных условиях аккумуляции тепла, определяемых массой, формой и плотностью укладки материала.
Были предложены следующие зависимости между условиями аккумуляции тепла и достижения Тсв:
 , (1.29)
 , (1.30)
где Т — температура окружающей среды (в области между Тсн и Тсв), при которой происходит самовозгорание; а, b, а', b' —
эмпирические константы; х — характерный размер (толщина) материала (кучи при хранении измельченного материала); τ — время до самовозгорания.
Результаты многочисленных испытаний с различными материалами вполне удовлетворительно согласуются с этими зависимостями. В [8] была предложена взамен уравнения
(1.29) зависимость, учитывающая не только размеры материала, но и его форму
 , (1.31)
1.5.
Показатели пожарной опасности, твердых материалов
После рассмотрения основ процессов горения, особенностей и видов горения твердых материалов представляется возможным перейти к обоснованию и определению показателей, характеризующих критические условия возникновения горения или пожарную опасность твердых материалов. Для этого опишем процесс горения твердых материалов. За основу описания примем схему на рис. 1.1.
Из нее видно, что основными температурными показателями пожароопасности твердых материалов являются температуры самонагревания Тсн, самовозгорания Тсв
и окружающей среды Т, при которой при благоприятных условиях аккумуляции тепла, определяемых уравнениями (1.30) и (1.31), достигается Тсв. Кроме того, необходимо учитывать температуру воспламенения Тв, характеризующую минимальную температуру, при которой интенсивность выделения газообразных горючих продуктов разложения достаточна для их зажигания внешним источником и поддержания самостоятельного горения материала при устранении внешнего источника. Если возникновение горения при достижении Тсв
проявляется тлением, то этот показатель называется температурой тления при самовозгорании Ттл. При возникновении пламенного горения Тсв
называется температурой самовоспламенения Тс. Для некоторых материалов характерно наличие как Тс, так и Ттл. Причем Ттл
по абсолютной величине всегда существенно ниже Тс. Таким образом, наиболее фундаментальным температурным показателем является Тсв, имеющая, как отмечалось выше, характер константы вещества или материала
(достаточно однородного).
Рис.
1.2. Зависимость периода индукции от температуры для хлопка
Такая интерпретация явления самовозгорания (самовоспламенения), на первый взгляд, принципиально отличается от общепринятых представлений. Это различие легко устраняется, если рассматривать критические условия достижения самовозгорания
(т. е. критической температуры Тсв или Тс) исходя из свойств горючей системы без учета условий достижений этой температуры. Тогда представляется очевидным, что переход к спонтанному автоускорению окисления может характеризоваться изменением механизма и кинетики процесса. Температура вещества, при которой происходит это изменение, наиболее надежно и просто может быть установлена по перегибу температурной зависимости периода индукции в Аррениусовых координатах в соответствии с уравнением
где τ — время от момента.
помещения образца материала в печь при заданных температурах до возникновения горения; А и В — эмпирические константы.
Характерный график такой зависимости, например для хлопка, представлен на рис. 1.2. Из него следует, что температура самовозгорания хлопка составляет 205 0С, а температура самонагревания 120 0С.
При этом следует иметь в виду, что реальная опасность возникновения горения твердого материала может возникнуть и при температурах ниже Тсв в результате самонагревания в благоприятных условиях аккумуляции тепла. При достижении Тсв
горение произойдет обязательно и независимо от внешних условий.
Возникновение горения при воздействии внешних источников (в том числе окружающей среды) с температурой ниже Тсв относится к явлению самовозгорания, а при воздействии источников с температурой, равной Тсв и выше, — к явлению возгорания. Наиболее характерной отличительной особенностью возгорания является то, что горение в этом случае всегда начинается локально, в мс сте действия внешнего источника зажигания. С помощью данных по температурным показателям пожарной опасности можно не только оценить критические температурные параметры того или иного материала, но и рассчитать с помощью уравнений (1.30)
и (1.31) время возникновения горения и безопасные условия хранения материалов
[8].
Однако с помощью температурных показателей нельзя определить важнейший показатель пожароопасно-сти строительных материалов — их горючесть. Как указывалось выше, оценить этот показатель расчетным путем не представляется возможным. Наиболее универсальной характеристикой горючести материала является его способность распространять горение. Однако чрезвычайная сложность этого процесса, его зависимость от большого числа различных факторов затрудняет создание универсального метода определения горючести материалов и особенно строительных конструкций. Поэтому в настоящее время существует несколько методов определения горючести строительных материалов и конструкций, описываемых в последующих главах.
Необходимо подчеркнуть, что все стандартные методы оценки горючести материалов (кроме метода калориметрии) используют фиксированное тепловое воздействие на испытуемый образец материалов или конструкций. Такое детерминированное по внешним условиям определение горючести имеет относительное значение и не позволяет оценить действительную пожарную опасность материала. Новый подход к проблеме оценки горючести материалов с учетом реальных условий пожара был предложен И.
С. Молчадским [9]. Он основан на развитых им представлениях о моделировании пожаров в зданиях различного назначения, согласно которым распространение пламени по поверхности материала можно описать уравнением теплопроводности
 , (1.32)
где ξ — подвижная координата, определяемая как ξ = х — Ut (где t — время); а —
температуропроводность.
Решением этого уравнения для граничных условий I, II рода на поверхности горючего материала и I, IV рода на границе раздела горючего и негорючего материалов
(например, облицовочного материала, нанесенного на бетонную стену) является
 , (1.33)
где λ — теплопроводность материала; Тв — температура самовоспламенения; δ — толщина материала; Т2 — начальная температура; Т1 — температура поверхности; Ro, Rm — удельное термическое сопротивление соответственно подстилки и материала.
Уравнение
(1.30) связывает скорость распространения пламени с физико-химическими свойствами материала и внешними условиями, создаваемыми пожаром и оцениваемыми разработанными в [9] методами моделирования пожара. Анализ этого выражения показывает, что для фиксированного теплового потока, соответствующего детерминированным методам оценки горючести, второй член, в правой части принимает некоторое частное постоянное значение (как и значение тепловыделения в первом члене).
На основе изложенных представлений был разработан принципиально новый метод оценки горючести облицовочных и отделочных материалов. С помощью нового метода и с учетом уравнения (1.33) представляется возможность разрабатывать конкретные профилактические мероприятия (противопожарные разрывы, ограничение пожарной нагрузки, регламентация высоты облицовки и др.). При оценке пожарной опасности строительных материалов важно также знать опасные факторы пожара (ОФП).
С целью обеспечения безопасности людей на пожаре в нашей стране разработан ГОСТ 12.1.004—85 «Пожарная безопасность. Общие требования», который регламентирует требования к мероприятиям по пожарной профилактике с учетом того, чтобы вероятность воздействия на людей ОФП не превышала 10-6 в год и чтобы затраты на противопожарную защиту были экономически целесообразными. Расчет элементов защиты для обеспечения указанного уровня безопасности людей производится по формуле
 , (1.34)
где Qв — вероятность воздействия ОФП; Qп — вероятность возникновения пожара; Ра
— вероятность своевременной эвакуации людей; Рв — вероятность эффективного функционирования систем противопожарной защиты. Величина Qn рассчитывается с учетом вероятности образования горючей среды н появления источника возникновения пожара.
Наиболее значимыми ОФП являются: конвективный нагрев человека газообразной средой, радиационный нагрев человека от очага пожара, токсичность продуктов сгорания
(преимущественно оксид и диоксид углерода), недостаток кислорода, ухудшение видимости из-за дыма. В результате специальных исследований были установлены предельные величины указанных факторов:
Анализ результатов многочисленных испытаний и статистических данных показал, что доминирующее значение среди ОФП занимают дымообразование и токсичность. Это обстоятельство особенно характерно для пожаров зданий и сооружений, в которых используются полимерные материалы.
Дым представляет собой аэрозоль, состоящий как из твердых (сажи, золы), так и жидких частиц. Оптические свойства дыма характеризуются способностью поглощать и рассеивать свет, что является причиной снижения видимости в задымленном пространстве и ограничения возможности эвакуации людей при пожаре. При развитии пожара потеря видимости может значительно опережать действие на людей других ОФП (повышение температуры, токсичности и др.). Поскольку в дымах, образующихся при пожарах, преобладают частицы, соизмеримые с длиной волны видимой части спектра, то для них характерно дифракционное рассеяние света. Методы определения дымообразующей способности материалов заключаются в измерении интенсивности светового потока, прохождение которого в задымленной среде подчиняется закону Ламберта — Бэра, согласно которому оптическая плотность света пропорциональна логарифму отношения освещенности до и после задымления и толщине зоны задымления. Оптическая плотность дыма характеризуется показателем  — начальная и минимальная освещенность. При дальности в 1 м в условиях, когда человек еще может ориентироваться и передвигаться в помещении, оптическая плотность дыма равна 2. На практике дымообразующая способность материалов определяется по максимальной величине D при стандартном тепловом потоке, равном 2,5 Вт/ см2. В нашей стране оценка дымообразующей способности материалов производится по коэффициенту дымообразования
 ,
где V — объем камеры, м2; L — оптическая длина пучка света, м; m — масса образца, кг; Е0, Emin
— начальная и минимальная освещенность, лк.
По величине этого показателя материалы классифицируются следующим образом:
·
материалы с малой дымообразующей способностью (с интенсивностью дымообразования, не превышающей теоретического выхода продуктов сгорания)
удовлетворяют условию Dmmax < 50 м3/ (м·кг);
·
материалы с умеренной дымообразующей способностью (количество дыма, равное или меньшее количеству продуктов горения, которое может привести к гибели животных) 50 < Dmmax < 500 м3/(м·кг);
·
материалы с высокой дымообразующей способностью Dmmax > 500м3/(м·кг).
Эта классификация основана на следующем принципе: при горении материалов с высокой дымообразующей способностью вероятность гибели в дыму выше, чем в результате отравления токсичными продуктами горения с летальным исходом; при горении материалов с умеренной дымообразующей способностью вероятность отравления с летальным исходом выше, чем опасность потери видимости; для материалов с малой дымообразующей способностью фактором видимости можно пренебречь.
Интенсивность дымообразования определяется химической природой материала, а задымление помещений зависит от количества дымообразующих материалов, условий развития пожара, воздействия тепловых потоков от очага пожара и времени. Наибольшее дымообразование достигается при горении в режимах пиролиза материала
(подготовки их к горению) и тлении. Процесс активного термического разложения для большинства полимерных материалов начинается при 180—300 0С, а максимальная скорость разложения — при 260—430 0С (в условиях, близких к самовоспламенению). Общее время достижения максимальной величины интенсивности дымо-образования для различных материалов находится в пределах от 1 до 20 мин. Наиболее интенсивное дымообразование наблюдается для древесины, древесных пластиков, линолеумов и фенолоформальдегидных пластмасс. Значимость фактора токсичности во многих случаях пожаров может также стать.доминирующей.
Угроза отравления при возможном пожаре все возрастает из-за роста масштабов применения синтетических материалов. В продуктах горения многих полимерных строительных материалов наряду с оксидом и диоксидом углерода присутствуют цианистый и хлористый водород, окислы азота, акролеин и другие высокотоксичные соединения. Недостаток кислорода, повышенная температура усугубляют токсическое действие вредных продуктов горения. В связи с этим в практику оценки пожарной опасности материалов в некоторых странах введена токсикологическая оценка материалов. Такую оценку обычно производят по величине «максимального индекса токсичности», представляющего собой обобщенный показатель, равный сумме отношений концентраций газообразных веществ, выделяемых при сгорании единицы массы материала, к опасным концентрациям этих веществ, обуславливающим гибель человека при 30-минутной экспозиции. Однако применительно к оценке токсичности материалов при их сгорании такой метод не обеспечивает адекватность оценки реальным условиям. В часхности, метод индекса не учитывает влияния аэрозольной фазы на общетоксический эффект продуктов горения и ряда других проявлений комбинированного воздействия вредностей (уменьшенное содержание кислорода, повышенная температура и др.). В нашей стране (в Ленинградском филиале ВНИИПО) был разработан другой подход, основанный на комплексной биологической оценке опасности среды, создаваемой при сгорании исследуемых материалов в условиях, моделирующих пожар. Количественная оценка токсичности при этом производится по величине массового токсиметрического показателя HCL50, характеризующего массу материала, необходимую для создания в объеме 1 м3 среды, смертельной для 50 % подопытных животных, а также по содержанию в крови животных карбоксигемоглобина и по величине выделения оксидов углерода и других токсичных веществ (мг/г).
Поскольку роль оксида углерода среди токсичных продуктов горения является доминирующей, а характеристикой, надежно свидетельствующей о концентрации СО, соответствующей уровню отравления HCL50
является содержание в крови 50 % карбоксигемоглобина, то по этой характе«
ристике можно судить о наличии или отсутствии токсичесского воздействия оксида углерода или других токсичных веществ. С учетом изложенного предлагается полимерные строительные материалы по токсичности классифицировать на: чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренно опасные и малоопасные. При экспозиции белых мышей в течение 30 мин значения HCL50 для указанных классов соответственно составляют: до 13, 13...40, 40...120 и выше 120 г/м3. Описание экспериментальных методов оценки дымообразующей способности и токсичности продуктов сгорания строительных материалов излагается в последующих разделах книги.
Для решения конкретных задач, связанных с проблемой обеспечения безопасности людей на пожарах (например, рациональному проектированию путей эвакуации, устройству противодымной защиты и т. п.), надо знать пути и интенсивности распространения дыма, тепловых потоков и других ОФП по помещениям и коммуникациям в зависимости от пожарной нагрузки и т.д.
Распространение ОФП в зданиях происходит по коридорам и лестничным клеткам, являющимся основными путями эвакуации. Количественное описание этого процесса возможно на основе математического моделирования. Во ВНИИПО был проведен комплекс таких исследований по схеме: очаг пожара — коридор — лестничная клетка. Расчет полей температур и скоростей газовых потоков в коридорах осуществлялся путем численного решения системы дифференциальных уравнений переноса вихря, функции тока и сохранения энергии. В результате построены номограммы, с помощью которых можно быстро установить температуру и концентрации вредностей в задымленных точках в зависимости от конструкции здания, протяженности коридора и условий развития пожара в смешанных помещениях. При этом показано, что при площади пожара 15—20 м2 температура в лестничной клетке на уровне второго этажа уже на 4 мин достигнет 70 0С.
На основе этих исследований выведены уравнения для расчета скорости распространения продуктов горения по лестничной клетке U
 , (1.35)
где σэт -
суммарная воздухопроницаемость дверей на этаже; Nэт
- число этажей в здании; hэт - высота этажа;
ρн, ρвн — плотность воздуха снаружи здания и внутри лестничной клетки; fх — плошадь лестничной клетки;
для расчета критической продолжительности пожара (τкр — время до наступления предельных значений ОФП)
 , (1.36)
где Тнр, Т0
— температуры критическая и начальная; Ср — теплоемкость воздуха; ρ0
— начальная плотность воздуха; φ — коэффициент теплопотерь в конструкции; η
— коэффициент полноты сгорания; Q — теплота сгорания пожарной нагрузки; n, А — константы, определяемые формой поверхности горения и характеристикой пожарной нагрузки.
В качестве примера в таблице приведены результаты расчета возможного уровня безопасности людей для 15-этажной гостиницы при различных вариантах противопожарной защиты.
Из таблицы видно, что только системой противодымной защиты не достигается нужный уровень безопасности. Необходимо предусмотреть еще систему оповещения.
Таблица 1.1. Вероятность поражения людей QB при пожаре в 15-этажной гостинице
Список литературы
1. Кимстач И.Ф., Давлишев П.П., Евтюшкин Н.М. Пожарная тактика. — М.: Стройиздат, 1984. —
591 с.
2. Баратов А.Н., Иванов Е.Н. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1979. — 368 с.
3. Халтуринский Н.А., Попова Т.В., Берлин А.А. Горение полимеров и механизм действия антипиренов//Успехи химии. —1984.— Т. 53; вып. 2. — С. 326—409.
4. Марголин А.Д., Крупкии В.Г. Теория гетерогенного воспламенения заостренных тел в турбулентом потоке газообразного окислителя//Горение конденсированных систем, —
Черноголовка, 1986. С. 105—108.
5. Рыбании С.С, Соболев С.Л. Распространение волны горения при гетерогенной реакции
(Препринт). — Черноголовка, 1981.— 12 с.
6. Марголин А.Д., Крупкин В.Г. Критические условия горения полимеров//Горение гетерогенных и газовых смесей. — Черноголовка, 1977. С. 11—14.
7. Cullis С. F., Hirshchler M. M. The combustion of organic polymers, Oxford, 1981. P. 417.
8. Монахов В.Т.
Методы исследования пожарной опасности вещества.— 2-е изд. перераб. и доп. —
М.: Химия, 1979. — 422 с.
9. Молчадский И.С., Корчагин П.Г. Распределение горения по поверхности твердых материалов//Огнестойкость строительных конструкций. -М.: ВНИИПО, 1981. —Вып. 9, —С. 69—82.
ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.Н. БАРАТОВ, Р.А. АНДРИАНОВ, А.Я. КОРОЛЬЧЕНКО, Д.С. МИХАЙЛОВ, В.А. УШКОВ, Л. Г. ФИЛИН
Стройиздат, 1988 |
