СПОСОБ ТУШЕНИЯ ТЛЕЮЩИХ ПОЖАРОВ
METHOD OF EXTINGUISHING SMOLDERING FIRE

Данное техническое решение относится к средствам противопожарной защиты объектов и может быть использовано при определении режимов тушения с помощью огнетушащих газовых составов тлеющих пожаров.
К тлению склонны, как правило, пористые материалы (вещества) или материалы в измельченном состоянии, которые при нагревании образуют твердый карбонизированный (по терминологии некоторых международных литературных источников - «углистый») или другой твердый горючий остаток. Сюда относятся материалы растительного происхождения, такие как хлопок, бумага, древесные опилки и другие целлюлозные материалы, латексная, кремнийорганическая и другие резины, натуральные кожи, полипеноуретаны, некоторые композиционные материалы, термореактивные пластики.
Материалы, склонные к тлению, обладают высокой и специфической пожарной опасностью. Процесс их горения вначале имеет скрытый период, когда появившийся очаг тления обнаружить трудно, а иногда невозможно. По прошествию некоторого, иногда достаточно большого промежутка времени, при увеличении размеров очага, выходе его на открытую поверхность и изменении в этой связи газодинамической обстановки в окрестности очага, тление может перейти в газофазный (пламенный) режим горения, т.е. в неожиданно возникший быстропротекающий пожар.
По статистике большое количество пожаров в промышленных, складских и жилых объектах начинались с образования очага тления материалов при их переработке и хранении, а часто с образования очага тления мягкой мебели и постельного белья в жилых помещениях и т.д. Источниками начала тления являлись: непотушенная сигарета, включенные электролампочка или рефлектор, остаток сварочного электрода при непосредственном контакте их с указанными выше материалами (Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. / Под ред. Ю.А.Кошмарова, В.Е.Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. - 424 с. // Перевод с англ. издания: An Introduction to Fire Dynamics D. Drysdale. - John Wiley and Sons, Chichester, 1985. - ISBN 5-274-00771-6).
В этой связи поиск средств для тушения тлеющих пожаров и определение режимов их применения является в настоящее время весьма актуальной задачей.
Результаты исследований и публикации показывают, что процесс тления материалов, веществ, продуктов может реализоваться в двух основных режимах:
- на поверхности, открытой для притока в зону тления окислительной газовой среды за счет естественного или/и вынужденного конвективного ее движения, режим классифицируется как внешняя задача тления;
- внутри газопроницаемого слоя волокнистого, пористого или измельченного вещества - внутренняя задача тления.
Известно, что тлеющие пожары, особенно с очагом тления внутри массива материала, крайне трудно поддаются тушению. Это связано, в том числе с тем, что процесс тления внутри массива материала значительных размеров может протекать при низкой концентрации кислорода в окружающей массив среде, что определяется особенностями механизма тления внутри массива, разработанного и положенного в основу данного технического решения. Тушение осложняется также затруднениями в обнаружении места очага тления и доступа к нему.
Практика и результаты проведенных исследований показали, что наиболее эффективными средствами для тушения тлеющих пожаров является использование воды, водных растворов солей, водных растворов поверхностно активных веществ, водных растворов, образующих твердеющую полимерную пену (Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х книгах. / Под ред. А.Н.Баратова и др. - М.: "Химия", 1990. - С.970.; В.В.Смагин. / Тушение древесины твердеющей полимерной пеной на основе промышленных отходов подмыльного щелока. // Материалы XII Всероссийской науч.-практ. конф. Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1993. - 372 с.). Для успешного тушения очага тления водой и растворами необходимо полностью пропитать слой материала, в котором развивается очаг.
Применение огнетушащих веществ на основе воды в зданиях и помещениях с дорогостоящими, портящимися при намокании предметами, товарами, продуктами (на складах, в музеях, библиотеках, магазинах) приносит большой материальный ущерб.
Поэтому при тушении пожаров на таких объектах предпочтение должно отдаваться применению огнетушащих газов и газовых составов. В этой связи проводятся обширные работы по поиску огнетушащих газовых составов, эффективных при тушении тлеющих пожаров.
В работе (Новые газовые составы для тушения тлеющих пожаров. / Чугуев А.П., Истомин И.В., Некрасов В.П., Болодьян И.А. // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений. Материалы XIX науч.-практ. конф. - Ч.1. - М.: ВНИИПО МЧС РФ. 2005. - С.44-49) показано, что наивысшая эффективность объемного тушения тлеющего пожара наблюдается при использовании многокомпонентных газовых составов, имеющих плотность, близкую к плотности газовой среды в помещении (в частном случае - воздуха). Это объясняется тем, что при близких плотностях газовой среды в помещении и введенного в него огнетушащего газового состава снижается конвективное перемешивание среды из-за разности плотностей. При этом уменьшаются утечки из помещения огнетушащего газового состава, и увеличивается время существования огнетушащей его концентрации в помещении, снижается интенсивность необходимой подпитки огнетушащей газовой среды в помещении огнетушащим газовым составом для поддержания в нем огнетушащей концентрации состава или максимальной концентрации кислорода, при которой происходит потухание очага тления. Кроме того, в упомянутой работе - аналоге - показано, что огнетушащие газовые составы и их компоненты, имеющие более высокие теплопроводность, теплоемкость и коэффициент диффузии, обладают более высокой огнетушащей эффективностью при тушении тлеющих пожаров. В этой работе рекомендованы для тушения тлеющих пожаров следующие огнетушащие газовые составы:
2
2
1. 94%N+6%CO;
2
2. 38%Не+62%СО;
2
2
3. 19%Не+47%N+34%CO (здесь и далее % объемные).
Известен способ получения многокомпонентного газового состава для объемного пожаротушения тлеющих пожаров (патент России №2259856, А62С 1/00, заявка №2003119592/20 от 27.06.2003), принятый в качестве прототипа. В этом способе определено, что для объемного тушения тлеющих пожаров предпочтительны смеси газов диоксида углерода, азота и/или гелия или других огнетушащих газов, при этом разновидность и соотношение компонентов огнетушащего состава должны выбираться с учетом получения максимально возможного значения критерия Льюиса огнетушащей смеси при ее плотности, равной плотности воздуха при нормальных условиях.
При этом указывается, что для эффективного тушения тлеющего пожара в помещении с помощью газовых средств необходимо за счет подачи огнетушащего состава снизить концентрацию кислорода в объеме до (0-5%) и удержать такой уровень концентрации не менее 20 мин.
Недостатком этого технического решения является то, что создание указанной концентрации кислорода с помощью указанного способа приводит к существенному расходу огнетушащих газовых составов при их применении и увеличению стоимости работ на тушение.
При произвольном выборе остаточной концентрации кислорода для тушения тлеющего пожара в помещении возможно не достижение тушения отдельных материалов, как это иллюстрируется в способе-прототипе на примере хлопковой ваты (фиг.3 патента России №2259856).
Кроме того, не поясняется, как оценить время достижения обедненной кислородом средой (с огнетушащим газовым составом) очага тления в массиве материала и определить, таким образом, момент его последующего тушения.
Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков.
Целью предлагаемого технического решения является оптимизация параметров тушения очага тления и снижение стоимости работ на тушение.
ох
Поставленная цель достигается тем, что в способе тушения тлеющего пожара, включающем подачу в помещение объекта с тлеющим массивом материала огнетушащего газового состава до достижения в помещении заданной концентрации кислорода, предварительно, при разработке мер по обеспечению пожарной безопасности помещений объекта, в которых обращаются, хранятся тлеющее материалы, определяют качественный и количественный составы газообразных продуктов термического разложения материалов, подверженных тлению, и в случае возникновения тлеющего пожара в помещении объекта вводят в помещение огнетушащий газовый состав в количестве из расчета создания в помещении концентрации кислорода (С), определяемой из условия тушения тлеющего пожара:
ox.min
ox.min
где C - минимальная концентрация кислорода, необходимая для горения наиболее горючего (с меньшим C) газообразного продукта термического разложения материала (в % объемных),
при этом время подачи огнетушащего газового состава в помещение для тушения очага массива тлеющего материала определяется из соотношения:
red.ox
ox.min
где τ - время подачи огнетушащего газового состава для достижения в помещении, где возник тлеющий пожар, концентрации кислорода, равной C (в % объемных);
mas
H - высота массива тлеющего материала в помещении, м;
lim.sm
V - предельная для тления скорость потока окислительной среды при максимальной исходной концентрации кислорода в помещении объекта, м/с.
Эффективность применения предлагаемого способа достигается тем, что определяют предварительно при разработке мер по обеспечению пожарной безопасности помещений объекта качественный и количественный составы газообразных продуктов термического разложения материалов, подверженных тлению, и устанавливают оптимальное время подачи огнетушащего газового состава с учетом времени проникновения газовой среды с огнетушащим составом к очагу тления в массиве материала.
На фиг.1 приведена схема существования развивающегося очага тления внутри массы газопроницаемого вещества: 1 - газопроницаемое тлеющее вещество; 2 - фронт тления; 3 - полость после выгорания вещества; 4 - линии тока естественно-конвективного движения газовой среды в газопроницаемом веществе; 5 - твердые продукты тления; 6 - фрагмент фронта тления; 7 - линии тока естественно-конвективного движения газовой среды в газопроницаемом веществе, обеспечивающего подсос свежей окислительной газовой среды из периферийных зон массива газопроницаемого вещества к очагу тления; 8 - линии возврата охлажденной газовой среды в удаленные от очага тления зоны массива вещества, находящегося в исходном состоянии. Направление от центра: X - горизонтальное; Y - вертикальное вверх; (-Y) - вертикальное вниз.
На фиг.2 показан фрагмент фронта тления массива газопроницаемого вещества, где 9 - газопроницаемое тлеющее вещество в исходном состоянии; 10 - зона с максимальной температурой - зона тления карбонизированной массы вещества; 11 - зона, в которой происходит выход продуктов пиролиза из материала и образуется карбонизированная масса вещества; 12 - зона, в которой происходит окисление (сгорание) продуктов пиролиза, вышедших из зоны 11; 13 - карбонизированная масса после сгорания (пористый остаток, пепел); 14 - свободное пространство, образовавшееся после выгорания массы вещества; 15 - линии тока естественно-конвективного движения газовой среды в газопроницаемом веществе около поверхности очага тления; 16 - направление поставки окислительной среды во фронт тления за счет естественно-конвективной диффузии; 17 - направление распространения фронта тления.
Разработка данного технического решения основана на результатах исследований процесса тления материалов и веществ в режиме существования внешних и внутренних очагов тления. Исследования проводились как при наличии ускорения силы тяжести Земли, так и в невесомости, т.е. при микрогравитации, без наличия естественно-конвективного движения газовой среды, достигнутой в самолете-лаборатории и на космической станции «Мир». При изучении процесса тления использовался также метод физического моделирования процесса горения и тления материалов в условиях, приближенных к микрогравитации (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112; Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. / Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. // Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара. г.Ньюкасл, Австралия. 3-6 декабря 2001. - С.195-204; The Study Of Polymer Material Combustion In Simulated Microgravity By Physical Modeling Method / Melikhov A.S., Bolodyan I.A., Potyakin V.I., Ivanov A.V., Alymov V.Ph., Smirnov A.B. et al. // Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio, May 1999).
До проведения указанных исследований большинство вопросов, необходимых для понимания механизмов процесса тления, на основании которых можно было бы прогнозировать временные и геометрические параметры очага тления и найти оптимальные режимы подачи огнетушащего газового состава для тушения очага тления, были изучены крайне мало, а имеющиеся литературные данные весьма противоречивы. Особенно это касается условий существования и развития очагов тления внутри газопроницаемого массива волокнистого, пористого или измельченного вещества, а также условий достижения обедненной кислородом средой (с огнетушащим составом) внутреннего очага тления и условий его тушения. Исследования, направленные на изучение процесса тления материалов и условий тушения тлеющего пожара, позволили получить следующие основополагающие результаты.
lim.sm
lim.sm
1. В работе (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112) установлено, что у всякого материала, способного к тлению, существует, во-первых, минимально необходимая (предельная) для тления концентрация кислорода в среде (C), во-вторых, минимально необходимая (предельная) для тления скорость потока окислительной среды (V), которая увеличивается с понижением концентрации кислорода в среде и наоборот.
2. Исследования показали, что процесс тления может протекать при весьма низких скоростях движения газовой среды, поставляемой во фронт тления - от нескольких миниметров в секунду до не более нескольких сантиметров в секунду (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112) (см. таблицу).
3. Установлено, что форма очага тления в массиве материала, по крайней мере, на начальном этапе развития очага, близка к сферической (Лопатеев Ю.В. / Исследование распространения очагов тления в древесных опилках. // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы XII Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1993. - С.370-371.). Затем очаг тления несколько удлиняется в вертикальном направлении (Y) из-за наличия естественно-конвективного движения газовой среды внутри тлеющего массива материала.
4. В полости, образовавшейся после выгорания вещества (поз.14 на фиг.2), окислитель в среде отсутствует вследствие того, что в зоне 10 (см. фиг.2) практически весь кислород, находящийся в составе молекул материала, расходуется после распада молекул на окисление водорода и углерода и других элементов и фрагментов молекул материала. В результате в полости 14 остаются, в основном, только твердые продукты тления - инертный пористый остаток (пепел) (поз.13 на фиг.2) от сгоревшей карбонизированной массы 10.
5. Показано, что при достаточно длительном пребывании тлеющей системы (тлеющего массива материала) в среде с пониженной концентраций кислорода и, естественно, в инертном газе тление самопроизвольно прекращается (Новые газовые составы для тушения тлеющих пожаров. / Чугуев А.П., Истомин И.В., Некрасов В.П., Болодьян И.А. // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений. Материалы ХГХ науч.-практ. конф. - Ч.1. - М.: ВНИИПО МЧС РФ. 2005. - С.44-49).
6. С повышением насыпной плотности материала в мелкодисперсном состоянии тление в массиве прекращается (Лопатеев Ю.В. / Исследование распространения очагов тления в древесных опилках. // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы XII Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1993. - С.370-371). Известно, что при высокой насыпной плотности материала подавляется интенсивность естественно-конвективного движения газовой среды и тем самым прекращается поставка окислительной среды в область очага тления в массиве за счет конвективной диффузии (поз.16 на фиг.2).
Таким образом, естественно-конвективное движение газовой окислительной среды, возникающее вследствие наличия разности температур в окрестности очага тления в массиве, играет существенную роль в поставке окислительной среды в область очага тления, а следовательно, и в развитии и перемещении очага тления в массиве.
7. Поскольку в полости, образовавшейся после выгорания вещества, отсутствует газовая окислительная среда, то поступление окислителя с газовой средой во фронт очага тления может осуществляться только за счет конвективной диффузии, побуждаемой естественной конвекцией на внешне границе (около поверхности фронта) очага тления и исходного вещества.
8. Было установлено, что внутри газопроницаемого массива ранее запасенная в нем газовая окислительная среда, смешанная с огнетушащим составом, движется за счет естественной конвекции, создавая пограничный слой, благодаря которому окислительная среда омывает очаг тления (см. фиг.1). Таким образом окислительная среда доставляется к поверхности очага тления за счет конвективной диффузии по первому закону Фика (см. фиг.1 и 2).
lim.sm
9. Внутри массива газопроницаемого материала вследствие повышенного гидродинамического сопротивления исходной твердой пористой среды, движение газовой атмосферы, побуждаемое естественной конвекцией, осуществляется со скоростью, близкой к значению V для данного материала (см. таблицу) (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112). Это делает время доставки огнетушащего состава из вне к поверхности очага тления внутри газопроницаемого массива материала (вещества) длительным и требующим учета времени доставки огнетушащего состава к поверхности очага тления через слои материала большой толщины при определении полного времени тушения очага тлеющего пожара (см. соотношение 2).
lim.sm
lim.sm
10. Установлено, что чем выше концентрация кислорода в газовой среде, тем ниже значение V и наоборот. В таблице приведены значения V для хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5, горящего в режиме тления, в зависимости от концентрации кислорода в атмосфере без воздействия движения газовой атмосферы, побуждаемого естественной конвекцией.
Концентрация кислорода в атмосфере, C<sub>ox</sub>, %
30
25
23
21
19
17
15,7
15
14,3
Значение V<sub>lim.sm</sub> для шнура, см/с
0,2
0,3
0,34
0,36
0,4
0,6
1,6
3,2
8,3
ох
lim.sm
lim.sm
lim.sm
lim.sm
mas
Концентрация кислорода в атмосфере (С), заключенной в массиве тлеющего материала, может изменяться при развитии и перемещении очага тления в широких пределах, и оценить ее оперативно, например расчетом, в каждой точке массива не представляется возможным. Достоверно может быть известна только исходная концентрация кислорода, которая была в массиве материала и в помещении объекта до начала появления очага тления. Учитывая данное обстоятельство, и для того чтобы не было занижено расчетное время подачи огнетушащего газового состава на тушение (иначе тушения не произойдет), значение V для использования в соотношении (2) берется равным значению V при максимальной исходной концентрации кислорода в помещении объекта. Например, при исходной концентрации кислорода в помещении, равной 21%, значение V=0,36 см/с (см. таблицу). При V=0,36 см/с расчетное время подъема газовой среды с огнетушащим составом на всю высоту массива тлеющего материала H (см. второй член в соотношении 2) окажется максимальным и тушение будет достигнуто. В частности, при высоте массива тлеющего материала, равного, например, 200 см, время подъема газовой среды с огнетушащим составом на всю высоту массива составит 560 с (9,3 минут), что сопоставимо с экспериментально определенным временем тушения тлеющего пожара. В работе (Новые газовые составы для тушения тлеющих пожаров. / Чугуев А.П., Истомин И.В., Некрасов В.П., Болодьян И.А. // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений. Материалы XIX науч.-практ. конф. - Ч.1. - М.: ВНИИПО МЧС РФ. 2005. - С.44-49) рекомендовано удерживать концентрацию кислорода в объеме, равную 0-5%, не менее 20 мин.
11. Расчеты показывают, что протеканию процесса тления в значительной мере способствует выделение кислорода, находящегося в составе молекул материала, он обеспечивает окисление (сгорание) определенной части фрагментов разрушенной термическим действием молекулы материала.
Представленные положения позволяют сформировать следующие основные физические модели механизма тления, понимание которых позволяет достигнуть поставленную цель предлагаемого изобретения: обеспечить экономию огнетушащего газового состава за счет ограничения использования огнетушащего состава количеством, точно необходимым для тушения очага тления, и установить оптимальное время подачи огнетушащего газового состава с учетом времени проникновения газовой среды с огнетушащим составом к очагу тления в тлеющим массиве материала (см. второй член в соотношении 2).
ox
ох.min
На фиг.1 приведена схема развивающегося очага тления внутри массы газопроницаемого вещества. Направления от центра очага: X - горизонтальное; Y - вертикальное вверх; (-Y) - вертикальное вниз. В газопроницаемом тлеющем веществе 1 перемещается развивающийся очаг тления в форме, близкой к сфере. После возникновения очага тления в нем образовалась полость 3 после выгорания вещества. Полость 3 ограничена фронтом тления 2. Твердые продукты тления 5 (пепел) опадают из фронта тления внутрь полости 3. Вокруг очага тления за счет естественной конвекции 4 поднимается поток газовой среды, омывающий очаг. За счет преимущественного распространения фронта тления снизу вверх очаг тления, увеличиваясь, «всплывает» вверх. Показаны линии 7 тока естественно-конвективного движения газовой среды в газопроницаемом веществе, обеспечивающего подсос окислительной газовой среды к очагу из периферийных зон массива газопроницаемого вещества. Линии тока 8 обозначают возврат охлажденной газовой среды в периферийные зоны массы газопроницаемого вещества. Таким образом, при существовании очага тления по форме, близкого к сферической, в газопроницаемом веществе возникают потоки газовой среды, побуждаемые естественной конвекцией, которые способны обеспечить расходование кислорода на тление из всей массы газопроницаемого вещества от исходного значения C, например, равного 21%, до значения С.
На фиг.2 показан фрагмент очага тления в массиве газопроницаемого вещества, где более подробно рассмотрена структура фронта тления, отражающая физическую модель механизма тления при развитии очага тления внутри массы газопроницаемого вещества - наиболее распространенного и сложного случая, вбирающего в себя практически все особенности процесса тления.
Фронт тления движется в направлении 17 со стороны полости 14. Тлеющий (реакционно-способный) слой карбонизированной массы 10, образовавшийся в результате термического разложения исходного материала 9 после выхода из него легколетучих продуктов пиролиза, является источником тепла для поддержания существования очага тления, в целом, со всеми протекающими в нем процессами. Он прогревает исходный материал 9 до температуры, при которой происходит выход продуктов пиролиза из материала в зоне 11 и образуется карбонизированная фаза 10, которая затем тлеет.
lim.sm
В соответствии с результатами исследований, приведенных в работе (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112), температура карбонизированной фазы 10 при V составляет 910±15 К, независимо от концентрации кислорода в среде. Для большинства материалов, склонных к тлению, для выхода продуктов пиролиза необходимо нагреть материал до температуры 450-650 К.
Рассмотрение процесса показывает, что поставка окислительной газовой среды для горения (тления) карбонизированной фазы ограничена. Со стороны свободной полости 14 окислитель не поступает, т.к. кислорода в полости 14 нет - он израсходован при тлении карбонизированной массы 10. В полости 14 остаются в основном твердые инертные продукты тления карбонизированной массы 10.
Из вне (из пограничного слоя) в направлении 16 поступлению окислительной газовой среды к карбонизированной массе 10 препятствует поток продуктов пиролиза, отходящий из зоны 11, прогретой тлеющей карбонизированной массой 10 до температуры пиролиза.
Поскольку поставка окислительной газовой среды для горения карбонизированной фазы ограничена, то после некоторого увеличения очага тления в газопроницаемом веществе, по данным опытов в самолете-лаборатории, сплошной очаг распадается на отдельные участки, и процесс тления карбонизированной фазы, существенно уменьшившись по интенсивности на единице площади карбонизированной фазы, устойчиво протекает и при низкой концентрации кислорода в окислительной газовой среде с малым потреблением окислителя из газовой среды на единице площади фронта тления. Поэтому тление массива мелкодисперсного материала может протекать весьма длительное время - до нескольких суток (Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. / Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. - 424 с. // Перевод с англ. издания: An Introduction to Fire Dynamics D.Drysdale. - John Wiley and Sons, Chichester, 1985. - ISBN 5-274-00771-6).
ox.min
ox.min
Но это может происходить только до снижения значения концентрации кислорода в газовой среде - до C - минимальной концентрации кислорода, необходимой для горения наиболее горючего (с меньшим C) газообразного продукта термического разложения материала.
lim.sm
ox
Газовая среда, обтекающая очаг тления в погранслое, вследствие повышенной температуры имеет высокую вязкость. Продвижению ее препятствуют частицы мелкодисперсного материала. Поэтому, реально, движение газовой среды в мелкодисперсном материале при естественной конвекции происходит со скоростью, близкой к предельной для тления значениям скорости газовой среды - V, т.е. от единиц мм в секунду до единиц см в секунду в зависимости от C (см. таблицу), а вынужденного газового потока, который может проникнуть в большой массив материала, как правило, не бывает. Поэтому для поддержания существования очага тления и сгорания фрагментов молекул материала может быть использован в основном кислород, находящийся в большом количестве в связанном состоянии в молекуле тлеющего материала.
3
3
6
10
5
ох.mol
Расчеты показали, что в 1 м массы целлюлозы (CHO) с объемной плотностью 100 кг/м (легкие древесные опилки) массовая доля кислорода М, находящегося в связанном состоянии в молекуле целлюлозы, составляет 49,4 кг. (Остальное 100-49,4=50,6 кг является сгорающей массой целлюлозы: C, H, фрагменты распавшихся молекул целлюлозы.)
ох
air
3
3
3
Масса кислорода М в объеме воздуха V, содержащемся в 1 м массы целлюлозы, равна 0,27 кг, т.е. 0,54% от общей массы кислорода, находящегося в 1 м целлюлозы и в газовой среде, заключенной между частицами целлюлозы. В сгорании сгорающей части (все кроме кислорода, находящегося в молекуле целлюлозы) может участвовать только 0,14 кг кислорода из газовой фазы. Масса кислорода, равная 0,14 кг, может обеспечить сгорание 0,07 кг сгорающей части целлюлозы с учетом стехиометрического коэффициента, что много меньше, чем вся сгорающая часть целлюлозы, находящаяся в 1 м, равная 50,6 кг.
Таким образом, при условии, что стехиометрический коэффициент горения пары «кислород-целлюлоза» близок к 2, кислорода, содержащегося в газовой фазе изолированного объема целлюлозы, явно недостаточно для сгорания (вытлевания) всей массы целлюлозы.
3
Отсюда вытекает, что для поддержания существования очага тления и сгорания фрагментов молекул материала может быть использован в основном кислород, находящийся в большом количестве в связанном состоянии в молекуле тлеющего материала. Для рассматриваемой целлюлозы этот показатель составляет 49,4 кг/м.
Исследования показали, что при достаточно длительном пребывании тлеющей системы в среде с пониженной концентраций кислорода (и, естественно, в инертном газе) тление целлюлозы самопроизвольно прекращается, несмотря на достаточное количество кислорода, находящегося в молекуле тлеющего материала.
3
3
Это вытекает из того, что при стехиометрическом коэффициенте горения пары «кислород-целлюлоза», равном 2, масса кислорода, равная 49,4 кг, находящегося в молекуле целлюлозы (в расчете на 1 м), может обеспечить сгорание около 25 кг сгорающей части целлюлозы. Если учесть, что после сгорания сгорающей части целлюлозы остается негорючий остаток в виде пористой массы и пепла, то можно заключить, что количество кислорода, находящегося в молекуле целлюлозы, достаточно для сгорания практически всей массы целлюлозы. Однако, реально, этого не наблюдается. При понижении концентрации кислорода на величину, которая может обеспечить сгорание всего 0,07 кг сгорающей части целлюлозы, большое количество кислорода, находящегося в молекуле целлюлозы (49,4 кг/ м), совсем не поддерживает тления - тление целлюлозы самопроизвольно прекращается.
На основании анализа данных обстоятельств можно заключить, что способность к тлению, в частности системы типа «целлюлоза-кислород», определяется не только нахождением в молекуле материала большого количества кислорода, но и обязательным наличием некоего источника тепловыделения, кроме тлеющей карбонизированной массы 10.
Анализ результатов исследований процесса тления различных материалов показал, что дополнительным источником тепловыделения во фронте тления является зона экзотермических реакций 12 (см. фиг.2), расположенная вблизи слоя 11, где протекает термическое разложение (пиролиз) исходного материала с выходом горючих продуктов пиролиза.
При пиролизе исходного материала - целлюлозы - выделяются различные газообразные продукты, которые могут окисляться или/и гореть в форме пламени. После выхода из исходного материала (в зоне 11) они (продукты пиролиза) распространяются в нагретой зоне погранслоя около поверхности очага тления, что способствует протеканию экзотермических реакций между окислителем окислительной газовой среды и продуктами пиролиза. Так, например, по данным работы (James G. Quintiere / Principles of Fire Behavior // Delmar Publishers. ITP. USA. 1997. p.p.38-39) более 10% исходного горючего материала при нагревании в зоне тления превращается в CO. Смешанный режим горения: тление карбонизированной фазы и наличие близкорасположенного к нему пламени наблюдалось в работе (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112).
2
4
3
5
ox.min
Такие горючие продукты термического разложения, как, например, Н, CO, СН, СНО, имеют минимальные концентрации кислорода (C), необходимые для горения при разбавлении горючей среды «продукт пиролиза - кислород» азотом, равные: 5%, 5,9%; 11,3%, 11,9% соответственно.
Таким образом, очевидно, что дополнительным источником тепловыделения во фронте тления является зона 12, в которой протекают экзотермические реакции между окислителем окислительной газовой среды, находящимся в малом количестве, и продуктами термического разложения (пиролиза) исходного материала, отходящими во вне из зоны 11 (фиг.2). При этом даже небольшое тепловыделение в зоне 12 обеспечивает термостатирование всего очага тления (зон 10, 11, 13), чем поддерживает вытлевание карбонизированной фазы (зоны 10 на фиг.2) с использованием того большого количества кислорода, которое находится в молекуле целлюлозы.
ox.min
2
4
3
6
ox.min
Если в окислительной газовой среде или в газовой среде, уже перемешанной с огнетушащим газовым составом, кислорода меньше, чем значение C наиболее горючего газа (Н, CO, СН, СНО и др.), т.е. газа с меньшим C (см. выше), и соответственно поэтому нет экзотермических реакций в зоне 12 между окислителем окислительной газовой среды и продуктами пиролиза, то очаг тления потухает из-за теплопотерь из очага тления во внешнюю холодную массу, окружающую очаг тления, т.к. отсутствует зона 12, термостатирующая очаг. Если, наоборот, экзотермические реакции в зоне 12 протекают, то тление продолжается, т.к. тепловыделяющая и поэтому нагретая зона 12 препятствует теплопотерям из зоны 10.
Показательно, что при распространении фронта тления в режиме внешней задачи (шнуры, стержни и т.д.) описанного эффекта не наблюдается, т.к. продукты пиролиза сразу после выделения отходят в погранслое от очага тления и не могут создать термостатирующую очаг оболочку.
В связи с наличием термостатирующей оболочки тушение газовыми составами очага тления внутри массива мелкодисперсного материала является более сложной задачей, чем тушение элементов, тлеющих в режиме внешней задачи с открытым фронтом тления.
Тушение осложняет возможность тления внутри массы материала при малых концентрациях кислорода в среде и наличие дополнительного источника тепловыделения во фронте тления, препятствующего, кроме того, теплопотерям из зоны 10 - из зоны основного тепловыделения.
ox.min
Значения минимальной концентрации кислорода, необходимые для горения (C), можно определять в соответствии с положениями документа (ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения).
ox.min
red.ox
Значения времени подачи огнетушащего газового состава для достижения в помещении, где возник тлеющий пожар, концентрации кислорода, равной C - время τ, можно определять в соответствии с положениями работы (Востряков В.И. Моделирование времени тушения пожаров горючих жидкостей в закрытых помещениях. Материалы VII науч.-практ. конф. Горение и тушение пожаров. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1981).
Значения предельной для тления скорости потока окислительной среды в зависимости от концентрации кислорода в помещении объекта можно определять в соответствии с положениями работы (Мелихов А.С., Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1989. - С.110-112).
Заявляемый способ обеспечивает подбор режимов подачи огнетушащих газовых составов по показаниям газового анализа продуктов пиролиза материалов, веществ без проведения крупномасштабных дорогостоящих испытаний с тлеющими пожарами.
Предлагаемый способ обеспечивает экономию огнетушащего газового состава при тушении тлеющего пожара за счет ограничения использования огнетушащего состава количеством, необходимым для тушения очага тления и установления оптимального времени подачи огнетушащего газового состава с учетом времени проникновения газовой среды с огнетушащим составом к очагу тления в тлеющем массиве материала.
Данное техническое решение имеет большую перспективу в практике обеспечения пожарной безопасности промышленных, складских и жилых объектах, в которых обращаются или хранятся материалы, склонные к тлению.