Тема № 3 «Возникновение и развитие газообмена на пожаре. Основны. План конспект проведения занятия в школе оперативного мастерства с начальствующим составом уотп и паср главного управления Тема 3 Возникновение и развитие газообмена на пожаре. Основные параметры

• Название: План конспект проведения занятия в школе оперативного мастерства с начальствующим составом уотп и паср главного управления Тема 3 Возникновение и развитие газообмена на пожаре. Основные параметры
• Дата: 22.05.2023
• Размер: 108.88 Kb.
• Имя файла: Тема № 3 «Возникновение и развитие газообмена на пожаре. Основны.docx
• Тип: Конспект; #1150425

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель начальника

Главного управления МЧС России

по Ростовской области (по ГПС)

полковник внутренней службы

В.Б.Завер

«____»____________2022 год


ПЛАН – КОНСПЕКТ
проведения занятия в школе оперативного мастерства с начальствующим составом УОТП и ПАСР Главного управления
Тема № 3: «Возникновение и развитие газообмена на пожаре. Основные параметры».
Вид занятия: семинар: Отводимое время: 45 минут (1 учебный час)
Цель занятия: изучить с руководящим составом основы возникновения и развития газообмена при пожаре и его основные параметры.
Литература, используемая при проведении занятия:

1. 
   Приказ МЧС России от 16 октября 2017 г. N 444 «Об утверждении Боевого устава подразделений пожарной охраны, определяющего порядок организации тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ»;
   
2. 
   Физико-химические основы развития и тушения пожара: учеб. пособие / И.И. Рашоян. — Тольятти: Изд-во ТГУ, 2013. - 107 с.
   
3. 
   Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учеб. пособие С. А. Бобков, А. В. Бабурин, П. В. Комраков. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. - 210 с.;
   

Развернутый план занятия:
Учебный вопрос № 1: Возникновение и развитие газообмена при пожаре. Его основные параметры, время 25 (мин.)
Согласно статистических данных, большее количество пожаров во всем мире происходит внутри различных помещений. Такие пожары наносят наибольший суммарный социальный, экономический и экологический ущерб. При пожарах в помещениях ежегодно погибает людей больше, чем в различных войнах и вооруженных конфликтах. Даже грубый расчет показывает, что при горении мебели на рядовом пожаре в городской квартире, который имеет среднестатистическую площадь около 5 м², среднеобъемную температуру 500-600 °С, за время свободного развития (около 20 мин) в окружающую среду выбрасывается 500-900 м³ продуктов горения. В их состав входит, как известно, ряд вредных и отравляющих веществ. Только в Москве суммарный объем выбро­сов в атмосферу от квартирных пожаров ежегодно составляет (6-12)10⁶ м³.

Первичный очаг пожара в большинстве случаев является точечным. То есть его площадь в момент возникновения намного меньше площади поверхности горючей нагрузки в помещении. Возникший процесс горения сначала стремится охватить максимально возможную площадь, если его вовремя не ликвидировать, он может распространиться на все помещение очага пожара, затем на смежные помещения, в результате пламенем будет охвачено все здание. При этом обстановка на пожаре во многом определяется развитием пожара в помещении первичного очага.

В данном учебном вопросе рассматриваются основные особенности и взаимосвязь процессов горения, тепло- и газообмена, их влияние на динамику и пара­метры внутренних пожаров. Анализ проводится в рамках интегральной модели, согласно которой принимается, что газовая среда в помещении в каждый момент времени представляет собой хорошо перемешанную одно­родную смесь. Состояние этой смеси характеризуется среднеобъемными значениями температуры, плотности, давления.

Статическое давление газовой смеси внутри помещения и воздуха снаружи изменяется по высоте в соответствии с законом Паскаля. В пер­вом приближении можно считать, что это распределение является линей­ным и описывается выражением: , где - давление столба газа высотой , Па; - давление газа на базовой плоскости (h = 0), Па.

До пожара распределение давлений воздуха по высоте внутри и сна­ружи помещения, как правило, складывается так, что в верхней части дав­ление больше, а в нижней части - меньше атмосферного (рис. 1).



Рис. № 1. Распределение давлений внутри и снаружи помещения: сплошная линия - эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная линия - эпюра давлений воздуха внутри помещения
На некоторой высоте давление воздуха внутри равно давлению сна­ружи. На этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, которая называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается .

Через все отверстия, расположенные выше ПРД, воздух вытекает из помещения, ниже ПРД - поступает в помещение (см. рис. 1).

Возникновение очага горения в помещении сразу вызывает повышение давления газовой среды, так как объем продуктов горения, даже при нор­мальных условиях, больше объема израсходованного воздуха. Среднеобъем­ная температура и, соответственно, плотность газовой среды в первый мо­мент изменяются незначительно. В соответствии с выражением распределение давлений по высоте помещения также остается практически неизменным. В результате этого давление газов внутри помещения на всех уровнях возрастает на одну и ту же величину, эпюра давлений смещается практически параллельно, ПРД опускается. При этом, как правило, ПРД оказывается ниже нижней отметки проема, и газы вытекают из помещения через все имеющиеся отверстия (открытые проемы, щели и т. п.) независи­мо от их расположения (рис. 2). Процесс горения в такой ситуации разви­вается за счет запаса кислорода, имевшегося в помещении.

По мере развития процесса горения среднеобъемная температура по­вышается, плотность газовой среды уменьшается - эпюра давлений пово­рачивается. Одновременно с этим снижается концентрация кислорода в газовой среде, которая поступает в зону горения - в результате скорость выгорания уменьшается. Соответственно уменьшается скорость расшире­ния газовой среды, и давление внутри помещения начинает снижаться - эпюра давлений смещается влево, ПРД поднимается (см. рис. 2). Через проемы, расположенные ниже ПРД, в помещение поступает воздух, через проемы, расположенные выше ПРД, выталкивается образующаяся смесь газов, состав которой изменяется по мере развития процесса горения.



Рис. № 2. Изменение положения ПРД при появлении и развитии очага горения.
Газообменом на внутреннем пожаре является вентиляция помещения, инициируемая процессом горения и тесно с ним взаимосвязанная.

Основными параметрами газообмена являются:

• 
  требуемый расход воздуха , кг/с, - расход воздуха, необходимый для полного сгорания материала с данной массовой скоростью;
  
• 
  фактический расход воздуха , кг/с, - масса воздуха, поступаю­щего в помещение при пожаре в единицу времени;
  
• 
  коэффициент избытка воздуха α, равный отношению:
  

α = /

Требуемый расход воздуха находится по формуле

=

где - удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²-с);

- площадь пожара, м²;

- теоретический объем воздуха необходимый для горения, м³/кг;

- плотность воздуха, кг/м³.

В качестве примера рассмотрим пожар в помещении с одним откры­тым проемом.

В ходе развития пожара параметры процессов горения, тепло- и газо­обмена изменяются. Во многом это определяется положением плоскости равных давлений относительно верхней и нижней отметок проема. В начальный момент возникновения притока воздуха в помещение плос­кость равных давлений, как правило, оказывается на уровне потолка. По мере развития процесса горения и, соответственно, увеличения объ­ема выделяющихся газов она опускается. Это продолжается до тех пор, пока массовая скорость выгорания горючего не достигнет максималь­ного значения.

Пока ПРД располагается выше верхней отметки проема, газы из поме­щения не удаляются, и проем работает только на приток воздуха. Если ПРД находится между верхней и нижней отметками проема, выше ПРД из поме­щения выходят нагретые газы, ниже - в помещение поступает воздух. В тех случаях, когда ПРД опускается ниже нижней отметки проема, приток воз­духа в помещение прекращается, интенсивность горения уменьшается, мас­совая скорость выгорания падает. Вследствие этого уменьшается объем вы­деляющихся газов и, соответственно, давление в помещении. Плоскость равных давлений поднимается, и в помещение поступает воздух.

Для оценки фактического расхода воздуха рассмотрим ситуацию в момент времени, когда ПРД располагается между верхней и нижней от­метками проема на высоте относительно пола. ПРД будем считать базо­вой плоскостью, на которой давление газов и воздуха равны . Дав­ление на этом уровне поймем в качестве точки отсчета - (рис. 3).




Рис. № 3. Схема распределения давлений и газовых потоков при пожаре в помещении: стрелками показано направление движения газовых потоков;

сплошная линия - эпюра давлений воздуха снаружи;

пунктирная линия - эпюра давлений газовой среды внутри помещения
Тогда на расстоянии h от ПРД давление газов будет равно , воздуха - ( и - плотности газов и воздуха, соответ­ственно).

Разность давлений газа (внутри помещения) и воздуха (снаружи) на расстоянии h будет равна:

выше ПРД

ниже ПРД .

Поскольку нас интересует не направление действия , а его абсо­лютная величина, можем записать: . Величина является избыточным статическим давлением, которое создает динамическое дав­ление, равное ( - линейная скорость потока воздуха или газа). Тогда на расстоянии от ПРД скорости потоков газа и воздуха будут равны:

Массовые расходы газа , кг/с, и воздуха , кг/с, через проем равны: и , где - коэффициент аэродинамического сопротив­ления проема, и - объемы газа и воздуха, соответственно, проходя­щие через проем в единицу времени, м³/с.

Очевидно, что массовые расходы газов и воздуха находятся по выра­жениям:

где - ширина проема, м;

- высота проема, м;

- высота ПРД относительно нижней отметки проема, м;

- отметка базовой плоскости (ПРД).

После интегрирования получим:

При достижении стационарного режима газообмена, когда пере­стает изменяться и некоторое время находится на одном уровне, . На других стадиях пожара они различаются не более чем на 10-15 % [15].

Это позволяет в каждый момент времени считать процесс газообмена квазистационарным при . Тогда, приравняв правые части выраже­ний (7) и (8), получим выражение для оценки положения ПРД относи­тельно нижней отметки проема:

Подставив выражение (9) в выражение (8) и учитывая, что произ­ведение равно площади проема , получим:

Проведем анализ этой формулы. Коэффициент сопротивления проема изменяется в пределах 0,6-0,7. Можно считать, что = 0,65. Используя уравнение Клапейрона, плотность газовой среды можно представить как

где - температура воздуха, К;

- температура пожара, К.

Плотность воздуха обычно принимается равной 1,2 кг/м³, а = 293 К (то есть 20 °С). Тогда . Допустим, что в ходе развития пожара температура возросла от 100 до 1000 °С. Соответственно понизилась с 0,944 до 0,277 кг/м³. Если проемность помещения не изменилась, то , уменьшился от 0,74 до 0,47 . То есть при 10-кратном повы­шении температуры пожара массовый расход воздуха изменяется менее чем на 40 %. Поэтому фактический массовый расход воздуха, поступаю­щего в помещение, приближенно можно оценить, как

Произведение называется - параметром проемности помещения. Чем выше интенсивность газообмена, тем больше холодного воздуха по­ступает в помещение, тем больше из него удаляется нагретых газов. Поэтому в помещениях с большой площадью вскрывшихся проемов мак­симальная температура пожара должна быть ниже. Соответственно, искус­ственное увеличение интенсивности газообмена путем применения венти­ляторов, дымососов, вскрытия конструкций и т. д. в ходе тушения пожара должно приводить к понижению температуры газовой среды в очаге. Однако так бывает не всегда.
Учебный вопрос № 2: Тепловой баланс помещения при пожаре, время 10 (мин.)
На пожаре источником тепла является зона горения. Интенсивность тепловыделения прямо пропорциональна массовой скорости выгорания, что следует из формулы .

Если бы тепло, выделяющееся в зоне горения, расходовалось только на нагрев газовой среды внутри помещения, то ее максимальная темпера­тура постепенно достигала бы температуры пламени. Максимальная тем­пература диффузионного пламени газов составляет около 1350 °С, боль­шинства жидкостей - 1250 °С, твердых материалов - 1150 °С.

Однако часть тепла, выделяющегося в зоне горения, поглощают стро­ительные конструкции, часть теряется в результате излучения через от­крытые проемы, затрачивается на нагрев горючих материалов (главным образом в ходе начальной стадии пожара), уходит из помещения вместе с продуктами горения через проемы. Все это приводит к тому, что темпера­тура внутреннего пожара всегда ниже температуры пламени. В общем виде тепловой баланс внутреннего пожара может быть представлен следующим уравнением:

где - интенсивность накопления тепла газовой средой в помещении;

- интенсивность удаления тепла из помещения нагретыми газами;

- интенсивность поглощения тепла горючими материалами во вре­мя их нагрева до воспламенения;

- интенсивность поглощения тепла ограждающими конструкциями;

- интенсивность излучения тепла за пределы помещения через проемы.

Температура газовой среды в помещении определяется величиной . Остальные составляющие правой части уравнения (13) являются потерями тепла. Чем выше потери, тем меньше и ниже . Величина зависит от теплофизических характеристик материалов, из которых выполнены ограж­дающие конструкции. Установлено, что с увеличением их теплопроводно­сти максимальная температура пожара снижается. Величина определя­ется площадью проема, а также излучательной способностью пламени. Например, пламена спиртов прозрачные, малокоптящие. Их излучательная способность низкая, также мала. Нефтепродукты, твердые горючие мате­риалы при горении выделяют большое количество сажи, которая в пламени нагревается до температуры свечения. Пламена таких материалов имеют более низкую температуру, но более высокую интенсивность излучения.

Интенсивность поглощения тепла горючими веществами зависит от их теплофизических свойств, проявляется главным образом на начальной стадии пожара и на влияет очень мало.

Таким образом, , , и обусловлены характеристиками здания и горючих материалов, находящихся в помещении. Поэтому управлять потерями тепла наиболее эффективно путем увеличения :

где - удельная теплоемкость выходящих газов при ;

- начальная температура.

Представим сумму как долю потерь от . Тогда урав­нение (13) можно переписать в виде:



или

Если , то - интенсивность аккумулирования тепла газовой средой выше интенсивности потерь - повышается.

Если , то - система находится в динамическом равновесии, пожар протекает при установившемся (стационарном) тепло- газообмене - .

Если - интенсивность накопления тепла газовой средой меньше интенсивности потерь - уменьшается.
Учебный вопрос № 3: Режимы внутренних пожаров, время 10 (мин.)
Поскольку , увеличение интенсивности газообмена, как сле­дует из уравнения (15), должно приводить к снижению и, соответ­ственно, температуры пожара. Однако величина взаимосвязана с массо­вой скоростью выгорания . Экспериментально установлено, что при ста­ционарном газообмене зависит от (рис. 4).



Рис. № 4. Вид зависимости массовой скорости выгорания от проемности помещения
Если при данной проемности помещения скорость притока воздуха к поверхности горения не обеспечивает максимальную скорость выгорания, увеличение (а значит, и ) приводит к росту и . При этом ста­новится больше нуля - повышается. Такие пожары называются - регули­руемымивентиляцией (ПРВ). В тех случаях, когда массовая скорость вы­горания и, следовательно, теплота пожара максимальны для данного горю­чего, при увеличении притока воздуха они не изменяются, т. е. остается неизменной. Однако увеличение , равно как и притока в помещение хо­лодного воздуха, приводит к тому, что становится меньше нуля и снижается (рис. 5). Такие пожары называются - регулируемыми нагрузкой (ПРН).

Таким образом, ПРН - режим пожара, при котором массовая скорость выгорания определяется характеристиками пожарной нагрузки и не зави­сит от изменения притока воздуха в помещение, ПРВ - режим пожара, при котором расход воздуха, поступающего в помещение, лимитирует массо­вую скорость выгорания.



Рис. № 5. Вид зависимости максимальной температуры пожара от проемности помещения
Как видно из рис. 5, в помещениях с различной проемностью может устанавливаться одинаковая среднеобъемная температура. Однако обста­новка на пожаре может существенно различаться. Как правило, пожары, регулируемые вентиляцией, более опасны, чем пожары, регулируемые нагрузкой. Они протекают при недостатке воздуха. Поэтому горючие газы, выделяющиеся в результате пиролиза или испарения горючего материала, внутри помещения полностью не сгорают. Это приводит к увеличению объема пламени, выбрасываемого наружу через проем, что увеличивает опасность распространения пожара на верхние этажи здания. Следует от­метить, что большую роль в этом играет форма проема - соотношение его ширины и высоты .

Недостаток воздуха при ПРВ приводит к тому, что дым, проникаю­щий в смежные помещения, также содержит продукты неполного сгорания и несгоревшие газы. Концентрация этих веществ за время свободного раз­вития пожара может превысить верхний концентрационный предел рас­пространения пламени. При вскрытии проема в такое помещение (напри­мер, для подачи ствола) происходит образование и воспламенение горючей смеси, сопровождающееся выбросом пламени.

Искусственное увеличение притока воздуха при ПРВ в первый мо­мент вызывает некоторое понижение среднеобъемной температуры газов. Однако в дальнейшем новый приток воздуха к поверхности горения при­водит к росту массовой скорости выгорания и повышению температуры пожара. Как показали исследования ВНИИПО, в результате увеличения площади проема при ПРВ температура пожара может возрасти в 2 раза. То же самое при ПРН может вызвать снижение на 45 %.

Таким образом, в зависимости от режима пожара вмешательство в га­зообмен при его тушении может привести к прямо противоположным ре­зультатам, что является следствием взаимосвязи и взаимозависимости процессов горения, тепло- и газообмена.
Пособия и оборудование, используемые на занятии: плакаты, план конспект.


Главный специалист ООСПСП УОПТ и ПАСР

Главного управления

капитан внутренней службы Д.В. Кулик
« » 2022