Экстремальное поведение огня: Понимание опасности

Пожаротушение - опасная работа! При реагировании на пожар в отсеке мы сталкиваемся с динамичными и быстро меняющимися условиями, ограниченной информацией и зачастую значительной угрозой жизни и имуществу людей.

Эд Хартин / CFBT-US.com

ЧИТАЙТЕ БОЛЬШЕ о поведении пожара здесь

Пожарные часто основывают свои ожидания о том, как поведет себя огонь, на своем опыте. Наблюдения Гисборна (1948) об опытном суждении пожарных дикой природы можно перефразировать и применить к пожарным структурных подразделений:

Ибо что есть опытное суждение, кроме мнения, основанного на знаниях, полученных на опыте? Если вы боролись с пожарами в зданиях любого типа с различной конфигурацией и топливной нагрузкой, во всех типах условий, и если вы точно помните, что происходило в каждой из этих комбинаций, то ваше опытное суждение, вероятно, очень хорошее.

В большинстве населенных пунктов большинство пожаров происходит в жилых строениях (например, дома на одну семью, дуплексы, многоквартирные дома). Гораздо меньше пожаров происходит в коммерческих и промышленных зданиях. Кроме того, в отличие от плотника, электрика, юриста или врача, пожарный проводит мало времени, фактически выполняя работу по своему ремеслу. Хотя небольшое количество пожаров является желательной ситуацией для общества, у пожарных мало возможностей получить опыт, необходимый для развития правильного понимания поведения пожара, только за счет опыта. Изучение теории поведения при пожаре и опыта других людей (например, изучение конкретных случаев) является ценным дополнением (но не может полностью заменить) личный опыт.

Горение

Если изучить общепринятые тексты по пожарной безопасности, то можно найти множество определений горения, но все они описывают одно и то же явление: Тепловыделяющая (экзотермическая) химическая реакция (окисление), при которой топливо соединяется с кислородом. В простейшей форме водород и кислород соединяются, в результате чего выделяется тепло и водяной пар. Однако чаще всего этот процесс значительно сложнее. При типичном пожаре в строении образуется сложная, токсичная и легковоспламеняющаяся смесь твердых, газообразных и парообразных продуктов горения, поскольку сложные виды топлива горят при ограниченной вентиляции.

Режимы горения различают в зависимости от того, где происходит реакция. При пламенном горении окисление происходит с участием топлива в газовой фазе. Для этого необходимо нагреть жидкое или твердое топливо, чтобы перевести его в газовую фазу. Некоторые виды твердого топлива, особенно пористые и способные обугливаться, могут подвергаться окислению на поверхности топлива. Это непламенное или тлеющее горение. Огненный треугольник и тетраэдр - это простые модели, используемые для объяснения основного процесса непламенного и пламенного горения, как показано на рисунке 1.

Несмотря на свою простоту, эти модели обеспечивают основу для понимания горения и полезны для понимания переменных в развитии пожара в купе и причин экстремальных явлений поведения при пожаре.

Развитие пожара

Когда пожар не ограничен, большая часть тепла, выделяемого горящим топливом, уходит за счет излучения и конвекции. Что меняется, когда пожар возникает в отсеке? Другие материалы в отсеке, а также стены, потолок и пол поглощают часть лучистого тепла, выделяемого огнем. Лучистая тепловая энергия, которая не поглощается, отражается обратно, продолжая повышать температуру топлива и скорость горения.

Горячий дым и воздух, нагретые огнем, становятся более плавучими и поднимаются вверх, соприкасаясь с более холодными материалами, такими как потолок и стены отсека; тепло передается более холодным материалам, повышая их температуру. Этот процесс теплопередачи повышает температуру всех материалов в отсеке. По мере нагревания близлежащего топлива оно начинает пиролизироваться. В конечном итоге скорость пиролиза может достичь такой степени, что пламенное горение может поддерживаться, и пожар распространяется.

Помимо содержания тепловой энергии, на пожары в отсеках влияет профиль вентиляции. Размер отсека, количество и размер отверстий, которые могут обеспечить источник кислорода для продолжения горения, также влияют на развитие пожара.

Хотя в учебниках по пожарной безопасности "стадии пожара" описываются по-разному, явление развития пожара одинаково. Для наших целей стадии развития пожара в отсеке будут описаны как зарождение, рост, полное развитие и затухание (см. рис. 2). Несмотря на разделение развития пожара на четыре "стадии", фактический процесс является непрерывным, а "стадии" перетекают из одной в другую. Хотя в лаборатории можно четко определить эти переходы, в полевых условиях часто трудно сказать, когда заканчивается одна стадия и начинается следующая.

Рисунок 2. Развитие пожара в отсеке

Стадии.jpg

Примечание: Эта кривая иллюстрирует скорость выделения тепла. Форма этой кривой будет значительно отличаться в зависимости от типа используемого топлива и вентиляционного профиля помещения. Хотя температура обычно следует за выделением тепла, форма кривой "время/температура", скорее всего, будет несколько иной.

Вспышка - это не одна из "стадий", а просто быстрый переход от стадии роста к стадии полного развития. Вспышка происходит не всегда (пожар может затухать, не достигнув стадии вспышки, или этот переход может происходить медленно). Два взаимосвязанных фактора оказывают основное влияние на развитие пожара в отсеке.

Во-первых, топливо должно обладать достаточной тепловой энергией для развития условий вспышки. Например, воспламенение нескольких газетных листов в небольшой металлической корзине для мусора вряд ли будет обладать достаточной тепловой энергией для развития вспышки в помещении, облицованном листовым камнем. С другой стороны, воспламенение дивана с подушками из пенополиуретана, расположенного в том же помещении, вполне вероятно приведет к возникновению вспышки.

Второй фактор - это вентиляция. Развивающийся пожар должен иметь достаточное количество кислорода, чтобы достичь вспышки. При моделировании развития пожара в гостиничном номере Бирк (см. Grimwood, Hartin, McDonough, and Raffel, 2005) определил, что закрытие двери предотвращает наступление вспышки в помещении (при условии, что другие отверстия, такие как окна, остаются неповрежденными). При недостаточной вентиляции пожар может перейти в стадию роста и не достичь пика тепловыделения полностью развитого пожара.

Различие между контролируемым топливом и контролируемой вентиляцией имеет решающее значение для понимания поведения пожара в отсеке. Как уже говорилось ранее, пожары в отсеках обычно контролируются топливом на стадии зарождения и раннего роста, а также по мере затухания пожара и снижения потребности в кислороде (см. рис. 3).

Рисунок 3. Развитие пожара при ограниченной вентиляции

Пока пожар контролируется топливом, скорость выделения тепла и скорость развития ограничены характеристиками топлива, поскольку воздух в отсеке и существующий вентиляционный профиль обеспечивают достаточное количество кислорода для развития пожара. Однако по мере роста пожара потребность в кислороде увеличивается и в какой-то момент (в зависимости от профиля вентиляции) превысит доступный уровень. В этот момент пожар переходит под контроль вентиляции.

Когда развитие пожара ограничено вентиляционным профилем отсека, изменения в вентиляции будут напрямую влиять на поведение пожара. Уменьшение вентиляции (например, закрытие двери) снизит скорость выделения тепла и замедлит развитие пожара. Увеличение вентиляции (т.е. открытие двери или окна) увеличит скорость выделения тепла и ускорит развитие пожара. Изменение профиля вентиляции может быть вызвано пожаром (разрушение стекла в окне), жильцами (оставление двери открытой) или тактическими действиями пожарных.

Экстремальное поведение при пожаре

Термин экстремальное поведение при пожаре возник в сообществе пожарных дикой природы. Глоссарий терминологии пожаров в дикой природе Национальной координационной группы по борьбе с лесными пожарами (NWCG, 2006) гласит: "Экстремальный" "подразумевает такой уровень характеристик поведения пожара, который обычно исключает методы прямого контроля...". (p. 68). Этот термин в равной степени применим к пожарам в отсеках. Вспышка, обратная тяга и взрыв дыма, хотя и отличаются друг от друга, все они могут быть классифицированы как экстремальные явления поведения при пожаре.

Быстрое распространение огня представляет собой значительную угрозу для пожарных при тушении структурных пожаров. Если пожарные не обладают высоким уровнем ситуационной осведомленности, эта опасность возрастает. Трудно овладеть навыками распознавания индикаторов поведения огня и понимания динамики пожара только на основе опыта работы на пожарной площадке или обучения в классе.

Экстремальные явления в поведении пожара можно классифицировать на основе продолжительности повышенной скорости выделения тепла. Ступенчатые события приводят к быстрому развитию пожара и устойчивому увеличению скорости выделения тепла. Переходные явления приводят к чрезвычайно быстрому, но, как правило, кратковременному увеличению скорости выделения тепла (т.е. дефлаграции).

Вспышка

Вспышка - это внезапный переход от развивающегося к полностью развитому пожару. Это явление включает в себя быстрый переход к состоянию полного охвата поверхности всего горючего материала в отсеке. При возникновении вспышки скорость выделения тепла в отсеке, а также температура в отсеке быстро увеличиваются. Вспышка может произойти при развитии пожара в отсеке или при подаче дополнительного воздуха на контролируемый вентиляцией пожар (при недостаточном количестве топлива в газовой фазе и/или температуре для обратной тяги).

Индикаторами вспышки являются лучистый тепловой поток на полу 15-20 кВт/м2 и средняя температура верхнего слоя 500o-600o C (932o-1112o F) (Drysdale, 1998). Более заметные признаки включают быстрое распространение пламени и выход пламени из отверстий отсека. Окна отсеков также могут выйти из строя из-за быстрого повышения температуры на внутренней поверхности оконного стекла (Gorbett & Hopkins (2007)).

При наличии достаточной вентиляции вспышка происходит как часть нормального развития пожара, как показано на рис. 2. Если вентиляция ограничена, пожар может стать контролируемым по вентиляции еще до вспышки. Последующее увеличение вентиляции может привести к вспышке (как показано на рисунке 4).

Рисунок 4. Вспышка, вызванная вентиляцией

Вспышка, вызванная вентиляцией

Вспышка зависит от скорости выделения тепла. Если скорость выделения тепла достаточна, излучение станет доминирующим способом передачи тепла в отсеке и быстро повысит температуру горючих поверхностей до температуры самовоспламенения. При достаточной вентиляции инициирующим событием является просто поступление достаточного количества топлива для создания необходимой скорости выделения тепла. Если пожар горит в режиме, контролируемом вентиляцией, увеличение скорости выделения тепла может быть результатом усиления вентиляции.

Обратная тяга

Обратная тяга включает дефлаграцию (взрыв) или быстрое сгорание горячих продуктов пиролиза и легковоспламеняющихся продуктов горения при смешивании с воздухом. Для возникновения обратной тяги в отсеке необходимо несколько условий. Пожар должен перейти в состояние, контролируемое вентиляцией, с высокой концентрацией продуктов пиролиза и горючих продуктов горения. Кислород

концентрация в отсеке низкая, как правило, до такой степени, что пламенное горение ограничено. Кроме того, должна быть достаточная температура для воспламенения топлива при смешивании с воздухом (Grimwood, Hartin, McDonough, & Raffel, 2005; Karlsson & Quintiere, 2000).

Как показано на рисунке 5, высвобождение энергии при обратной тяге происходит чрезвычайно быстро и, как правило, носит скоротечный характер, продолжаясь лишь короткое время. Обратная тяга обычно приводит к кратковременному, но довольно значительному высвобождению энергии. Однако, в зависимости от объема топлива и места воспламенения, это явление может привести к длительному высвобождению энергии. Например, обратная тяга, возникшая в жилом доме в Нью-Йорке, привела к значительному увеличению скорости выделения тепла в течение 5 ½ минут (Bukowski, 1996).

Рисунок 5. Обратная тяга

Хотя увеличение скорости тепловыделения в результате обратной тяги является преходящим, изменение профиля вентиляции в результате избыточного давления (например, разрушение окон или других конструктивных отверстий) часто приводит к переходу пожара в полностью развитое состояние (Karlsson & Quintiere).

Как и при вспышке, вызванной вентиляцией, инициирующим событием для обратной тяги является изменение профиля вентиляции, обеспечивающее поступление дополнительного кислорода. В чем же тогда разница между этими двумя событиями? Основное различие заключается в скорости, с которой увеличивается скорость выделения тепла (см. рис. 4 и 5). При обратной тяге происходит дефлаграция, в то время как вспышка, вызванная вентиляцией, не происходит. Однако различие между этими двумя явлениями не совсем четкое: некоторые события, происходящие в полевых условиях, попадают в "серую зону", показанную на рисунке 6.

Рисунок 6. Серая зона

Пожарным важно помнить, что увеличение количества кислорода, подаваемого в контролируемый вентиляцией пожар, приведет к увеличению роста огня и скорости выделения тепла. Это может происходить относительно медленно или быть взрывоопасным, в зависимости от условий внутри отсека.

Взрыв дыма

Во многих старых текстах, посвященных основам поведения при пожаре или вентиляции, термины "взрыв дыма" и "обратная тяга" используются как взаимозаменяемые. Однако взрыв дыма или пожарного газа и обратная тяга - это совершенно разные явления. Как в случае обратной тяги, так и в случае взрыва дыма, дым является топливом. Однако другие стороны пожарного треугольника совершенно разные. Для возникновения обратной тяги требуется высокая концентрация горючего газа/паров, низкая концентрация воздуха и температура выше температуры воспламенения горючих продуктов горения и пиролиза. С другой стороны, для взрыва дыма требуется смесь топлива (дыма) и воздуха в пределах воспламеняемости, но температура будет ниже температуры воспламенения воспламеняющихся продуктов горения и продуктов пиролиза (см. Рисунок 7). Если бы топливно-воздушная смесь достигла температуры воспламенения, она бы уже воспламенилась. Во многих отношениях дымовой взрыв похож на воспламенение пропана или природного газа внутри строения.

Рисунок 7. Диапазон взрывоопасных/воспламеняющихся веществ

При наличии источника воспламенения топливно-воздушная смесь воспламеняется взрывообразно. Факторы, влияющие на силу взрыва дыма, включают степень, в которой конструкция ограничивает топливно-воздушную смесь, и насколько близка концентрация топлива и воздуха к стехиометрической смеси (идеальной для полного сгорания). Чем больше замкнутость и ближе концентрация к стехиометрической, тем больше сила взрыва.

Дым от недостаточно проветренного пожара может проникать через неплотности в конструкции и скапливаться в скрытых помещениях или других отсеках здания. Помните, дым - это топливо! Если дым присутствует, даже если он холодный и находится далеко от вовлеченных помещений, существует вероятность взрыва дыма. Karlsson и Quintiere (2000) отмечают, что это явление "редко наблюдается при пожарах в корпусах". Однако, несмотря на редкость, условия, необходимые для взрыва дыма, могут возникнуть внутри конструкции и представлять значительную угрозу для пожарных.

Переменные факторы пожара в отсеке

Основными переменными, влияющими на развитие пожара и экстремальное поведение при пожаре в отсеке, являются характеристики и доступность топлива, профиль вентиляции, а также характеристики и конфигурация отсека (см. рис. 8).

Химические и физические характеристики и наличие топлива определяют общую потенциальную энергию (пожарная нагрузка) и потенциальную скорость выделения тепла. Однако для высвобождения тепловой энергии при реакции горения необходим кислород (часто из воздуха). Когда пожар возникает в отсеке, площадь и высота отсека, а также вентиляция влияют на скорость развития пожара и скорость выделения тепла, необходимого для достижения вспышки.

Рисунок 8. Переменные пожара в отсеке

По мере развития пожара в отсеке вентиляционный профиль часто ограничивает доступный воздух для поддержания горения, переводя пожар в режим горения, управляемого вентиляцией. По мере того, как пожар становится вентиляционно контролируемым, процент продуктов пиролиза, сгорающих в процессе горения, уменьшается, а процент образующихся горючих продуктов горения увеличивается. Воспламеняющиеся компоненты в дыме являются критическим фактором экстремального поведения пожара, такого как вызванная вентиляцией вспышка, обратная тяга и взрыв дыма. Вот почему пожарным важно рассматривать дым как топливо.

Увеличение подачи воздуха в пожар, управляемый вентиляцией, всегда приводит к увеличению скорости выделения тепла. Как обсуждалось ранее, эти изменения также могут привести к экстремальному поведению пожара, такому как вспышка, вызванная вентиляцией, или обратная тяга.

Резюме

Рисунок 9 дает графическое представление трех типов экстремальных явлений поведения при пожаре, рассмотренных в данной статье, и событий, которые способствуют их возникновению. Понимание того, как возникают экстремальные явления поведения при пожаре, имеет решающее значение для безопасного и эффективного тушения пожара. Пожарные должны уметь распознавать потенциал экстремального поведения огня и возможность изменения условий и тактических операций для влияния на поведение огня. Это понимание в сочетании с личным опытом создает основу для принятия разумных решений и тактических действий, основанных на опыте.

Рисунок 9. Концептуальная карта экстремального поведения пожара

Ссылки

Буковски, Р. и Ричард, В. (1996, ноябрь). Моделирование инцидента с обратной тягой: Пожар на 62 Ваттс-стрит (Нью-Йорк). Журнал пожарных инженеров (1), 14-17.

Драйсдейл, Д. (1998). Введение в динамику пожара. Нью-Йорк: John Wiley & Sons. Гисборн, Х. (1948) Основы поведения огня. Fire Control Notes 9(1), 13-24.

Горбет, Г. и Хопкинс, Р. (2007) Современные знания и обучение в отношении обратной тяги, вспышки и других явлений быстрого развития пожара. Доклад представлен на ежегодном собрании Национальной ассоциации противопожарной защиты, Бостон, штат Массачусетс.

Гримвуд, П., Хартин, Э., МакДонаф, Дж. и Раффел, С. (2005). 3D пожаротушение: обучение, техника и тактика. Stillwater, OK: Fire Protection Publications.

Карлссон, Б. и Кинтьер, Дж.Г. (2000). Динамика пожара в закрытых помещениях. Boca Raton, FL: CRC Press.

Национальная координационная группа по диким пожарам (NWCG). (2006). Глоссарий терминологии пожаров в дикой природе. Получен 16 марта 2008 г. с сайта http://www.nwcg.gov/pms/pubs/glossary/pms205.pdf.

Дополнительное чтение

Хартин, Е. (2005). Экстремальное поведение при пожаре - Обратная тяга. Получено 16 марта 2008 г. с www.firehouse.com.

Хартин, Э. (2005). Extreme Fire Behavior - Flashover. Получено 16 марта 2008 г. с www.firehouse.com.

Хартин, Э. (2005). Дымовые ожоги. Получено 16 марта 2008 года с сайта www.firehouse.com.

Хартин, Э. (2006). Экстремальное поведение при пожаре: Взрыв дыма. Получено 25 августа 2006 года с www.firehouse.com.