Понятие горения. Режимы возникновения горения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

• РЕФЕРАТ
• на тему

Понятие горения. Режимы возникновения горения

• г. Санкт-Петербург, 2012 г.



• СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общие сведения о горении

1.1 Источники теплоты

1.2 Возникновение процесса горения

1.3 Полное и неполное горение

1.4 Пламя и дым

2. Передача теплоты и особенности распространения горения на пожарах

3. Конвекция. Основная закономерность распространения горения на пожарах

4. Факторы, определяющие характер горения на пожарах и его результаты

5. Тепловые процессы, протекающие при горении в очаге пожара и их влияние на образование очаговых признаков

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Под горением обычно понимают совокупность физических и химических процессов, основой которых является быстро-распространяющаяся реакция окисления, сопровождающаяся выделением теплоты и излучением света. Область газообразной среды, в которой интенсивная химическая реакция вызывает свечение и тепловыделение, называют пламенем.

Пламя является внешним проявлением интенсивных реакций окисления веществ. Один из видов горения твердых веществ - тление (беспламенное горение).

В процессе горения наблюдаются два этапа: создание молекулярного контакта между горючим и окислителем (физический) и образование продуктов реакции (химический). Возбуждение молекул при горении происходит за счет их нагревания. Таким образом, для возникновения и развития горения необходимы три компонента: горючее вещество, окислитель и источник воспламенения (т.е. источник теплоты).

Пламенное диффузионное горение всех видов горючих материалов и веществ в воздушной среде возможно при содержании кислорода в зоне пожара не менее 14% по объему, а тление твердых горючих материалов продолжается до содержания 6%.

Источник воспламенения должен обладать тепловой энергией, достаточной для зажигания горючего материала. Горение любого материала происходит в газовой или паровой фазе. Жидкие и твердые горючие материалы при нагревании превращаются в пар или газ, после чего воспламеняются. При установившемся горении зона реакции выполняет роль источника воспламенения для остального горючего материала.

1. Общие сведения о горении

Горение представляет собой химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и света. Оно возможно при сочетании следующих трех условий:

- присутствие горючего материала;

- наличие теплоты, достаточной для воспламенения горючего материала и поддержания процесса горения;

- присутствие кислорода (воздуха) в количествах, необходимых для горения.

Различают следующие виды горения:

- полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

- неполное - горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO₂), вода (H₂O), азот (N), сернистый ангидрид (SO₂), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода,но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора,паров брома, серы и т.д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях:жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

- гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;

- горение взрывчатых веществ и порохов;

- гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

- горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель».

1.1 Источники теплоты

Большинство сгораемых материалов при обычных условиях, как известно, в реакцию горения не вступает. Она может начаться лишь с достижением определенной температуры. Объясняется это тем, что молекулы кислорода воздуха, получившие необходимый запас тепловой энергии, приобретают способность лучше соединяться с другими веществами, окислять их. Таким образом, тепловая энергия стимулирует реакцию окисления. Поэтому, как правило, любая причина пожара связана с воздействием теплоты на горючие материалы и вещества. Сложные физико-химические и многие другие явления, протекающие на пожарах, также определяются прежде всего развитием тепловых процессов.

Процессы (импульсы), способствующие развитию тепла, разделяются на три основные группы: физические (тепловые), химические и микробиологические. Протекая в определенных условиях, они могут вызвать нагревание горючих материалов до температуры, при которой наступает горение материалов.

К первой группе импульсов, вызывающих загорание, главным образом следует отнести открытое пламя, нагретое тело -- твердое, жидкое или газообразное, искры (различного происхождения), сфокусированные солнечные лучи. Эти импульсы проявляются внешним воздействием тепла на материал и могут быть иначе названы тепловыми.

Подавляющее большинство пожаров, которые происходят от обычных, т. е. наиболее распространенных причин, связано с загоранием веществ и материалов под влиянием преимущественно первых трех из отмеченных источников воспламенения.

Несомненно, что указанное деление импульсов физической, тепловой группы до некоторой степени условно. Искры металла или горящих органических материалов также представляют собой тела, нагретые до температуры свечения. Но с точки зрения оценки их как причины пожаров искры всех видов целесообразно выделить в отдельную группу.

Нагрев и искрообразование могут быть результатом трения, сжатия, удара, различных электрических явлений и т. д.

При развитии химического или микробиологического импульсов накопление тепла происходит за счет химической реакции или жизнедеятельности микроорганизмов. В отличие от теплового источника, действующего извне, в данном случае процесс накопления тепла идет в массе самого материала.

Примером процессов второй группы могут быть экзотермические реакции взаимодействия некоторых химических веществ с влагой или между собой, процессы окисления растительных масел, не редко вызывающие их самовозгорание, и т. д.

Третий вид теплового импульса -- микробиологический -- приводит к накоплению тепла в материале и самовозгоранию за счет ряда последовательно развивающихся процессов. Начальным из них может явиться деятельность растительных клеток в том случае, если растительные продукты высушены не полностью. Образующееся при этом некоторое количество тепла при наличии условий для его аккумуляции способствует развитию жизнедеятельности микроорганизмов, ведущей в свою очередь к дальнейшему развитию теп лоты. Растительные же клетки при температуре свыше 45°С погибают. С повышением температуры до 70--75°С погибают и микро организмы. При этом образуются пористые продукты (пористый желтый уголь), способные поглощать (адсорбировать) пары и газы. Поглощение последних происходит с выделением тепла (тепло ад сорбции), которое может сопровождаться развитием значительной температуры при наличии условий, благоприятных для накопления тепла. При температуре 150--200° С активизируется процесс окисления, способный при дальнейшем его развитии привести к самовозгоранию материала.

В практике хорошо известны случаи самовозгорания непросушенного сена, комбикормов и т. п. продуктов растительного происхождения.

Микробиологический процесс может возникнуть также в растительных материалах, у которых деятельность клеток уже прекратилась. В этих случаях благоприятным для развития такого процесса может быть увлажнение материала, что также способствует развитию жизнедеятельности микроорганизмов.

Перечисленные процессы, приводящие к развитию теплоты, в ряде случаев существуют в тесной взаимосвязи. За микробиологическим процессом следует физико-химическое явление адсорбции, последнее с повышением температуры уступает место химической реакции окисления.

1.2 Возникновение процесса горения

Несмотря на разнообразие источников теплоты, способных в определенных условиях вызвать горение, механизм возникновения процесса горения в большинстве случаев одинаков. Он не зависит от вида источника воспламенения и горючего вещества.

Всякому горению предшествует, прежде всего, повышение температуры горючего материала под действием какого-либо источника теплоты. Разумеется, что такое повышение температуры должно протекать в условиях доступа кислорода (воздуха) в зону начинающегося горения.

Допустим, что нагревание происходит под действием внешнего источника тепла, хотя, как известно, это не является для всех случаев обязательным. При достижении определенной температуры, которая для различных веществ неодинакова, в материале (веществе) начинается процесс окисления. Поскольку реакция окисления протекает экзотермически, т. е. с выделением тепла, то материал (вещество) далее продолжает нагреваться уже не только в результате воздействия внешнего источника теплоты, которое может спустя некоторое время и прекратиться, но и за счет процесса окисления.

Нагревающееся вещество (твердое, жидкое или газообразное) имеет определенные размеры, объем, поверхность. Поэтому одно временно с накоплением теплоты массой этого вещества происходит рассеивание ее в окружающую среду за счет теплоотдачи.

Дальнейшие результаты процесса будут зависеть от теплового баланса нагревающегося материала. Если количество тепла, которое рассеивается, превысит количество тепла, получаемого материалом, повышение температуры прекратится, и она может понизиться. Другое дело, если количество теплоты, получаемое материалом при его окислении, станет превышать количество рассеивающейся теп лоты. В этом случае температура материала будет неуклонно повышаться, что в свою очередь активизирует и реакцию окисления, в результате чего процесс может перейти в стадию горения материала.

При анализе условий возникновения пожаров, происходящих по некоторым причинам, указанный механизм начала горения следует принимать во внимание. Особенно его нужно учитывать в тех случаях, когда исследуется возможность самовоспламенения или самовозгорания. Последнее может происходить иногда за счет длительного воздействия тепла при сравнительно невысокой температуре и вызывать пожары, например, от систем центрального отопления и т. п.

Твердые и жидкие вещества до того, как наступает процесс горения их, под действием тепла разлагаются, испаряются, превращаются в газо- и парообразные продукты. Поэтому горение твердых и жидких веществ, как правило, протекает в виде выделения паров и газов. Таким образом, теплота не только активизирует кислород. Часть тепла, выделяющегося при горении, расходуется на подготовку к горению следующих участков горючего вещества, т.е. на их нагревание, превращение в жидкое, паро - или газообразное состояние.

При исследовании причин пожаров часто приходится иметь дело с целлюлозными материалами. Продукты механической и химической обработки древесины, хлопка, льна в качестве главной со ставной части содержат целлюлозу и ее производные. При подогреве целлюлозные материалы подвергаются разложению, процесс которого протекает в две стадии. На первой -- подготовитель ной -- стадии происходит поглощение тепловой энергии массой материала.

По данным ЦНИИПО целлюлозные материалы при температуре 110°С высыхают и начинают выделять летучие вещества, имеющие запах. При температуре 110--150°С наблюдается пожелтение этих материалов и более сильное выделение летучих составных частей. Наличие запаха иногда может быть признаком, который с учетом других обстоятельств дела следует учесть при установлении места и времени возникновения пожара, а также при проверке версий о причине пожара. При температуре 150--200°С целлюлозные материалы в результате обугливания приобретают коричневую окраску. При температуре 210--230°С они выделяют большое количество газообразных продуктов, самовоспламеняющихся на воздухе. При этом наступает вторая стадия термического разложения материала -- тление его или пламенное горение. Эта стадия характеризуется выделением тепловой энергии, т. е. реакция является экзотермической. Выделение тепла и повышение температуры происходит главным образом за счет окисления продуктов разложения горящего материала.

Горение целлюлозных материалов протекает в два периода. Вначале сгорают главным образом газы и другие продукты, образующиеся при термическом разложении материала. Это фаза пламенного горения, хотя уже на ней происходит также и сгорание угля.

Второй период -- он особенно показателен для древесины -- характеризуется преимущественным тлением угля. Интенсивность и тепловой эффект второй стадии горения древесины связаны с тем, в какой мере контактируется поверхность угольной массы с кислородом воздуха, какова ее пористость. Последняя в значительной степени определяется условиями горения на его первой фазе.

Чем хуже газообмен в зоне горения и ниже температура горения на пламенной его фазе, тем медленнее протекает процесс горения, больше летучих и других продуктов термического разложения (сухой перегонки) задерживается в массе угля, заполняя его поры. Это наряду с недостаточным газообменом в свою очередь препятствует окислению, т.е. сгоранию угля на второй фазе горения.

В таких условиях образуется крупный уголь, причем переугливание, например, деревянного элемента конструкции может произойти во всем сечении элемента без последующего сгорания массы угля.

Сказанное позволяет сделать три вывода:

1. Скорость выгорания зависит от условий, в которых протекает процесс горения. Условия же горения (например, доступ воздуха, температура) на различных участках пожара и даже в одном месте, но в разное время неодинаковы. Поэтому сведения, встречающиеся в литературе, о средней скорости горения древесины, равной 1 мм/мин, не могут быть достаточными для выводов о продолжительности горения в конкретных случаях.

2. Степень обгорания деревянных конструкций, т. е. потерю сечения их вследствие пожара, нельзя устанавливать только по глубине обугливания, поскольку уголь начинает выгорать уже в период пламенного горения древесины. Различная степень обгорания, определяемая на практике иногда по толщине слоя угля, может лишь относительно характеризовать неравномерность повреждения огнем конструкций или их элементов. Фактическая потеря сечения будет, как правило, всегда большей.

3. Крупный, малопористый уголь, который иногда обнаруживается при вскрытии конструкций, свидетельствует о том, что процесс горения был неполным и неинтенсивным. Этот признак с учетом обстоятельств дела можно принимать во внимание при установлении очага пожара и времени возникновения пожара, при проверке версий о причине пожара.

Для характеристики начальной, подготовительной стадии горения твердых материалов будем употреблять два основных термина -- возгорание и самовозгорание.

Возгорание твердого горючего материала возникает в условиях воздействия теплового импульса с температурой, превышающей температуру самовоспламенения продуктов разложения материала. Для процесса возгорания решающим фактором является источник поджигания.

Горение отеплительного материала, например, войлока, возникшее под действием пламени паяльной лампы при неосторожном отогревании водопроводных труб, -- один из случаев возгорания твердого горючего материала.

Самовозгорание твердого горючего материала возникает при отсутствии внешнего теплового импульса или в условиях его действия при температуре, которая ниже температуры самовоспламенения этих продуктов. Для процесса самовозгорания решающими являются условия аккумуляции теплоты.

Чем лучше условия аккумуляции теплоты, меньше ее рассеивание в начальной стадии процесса горения, тем при более низких температурах окружающей среды возможно самовозгорание целлюлозных материалов. Большое значение в этих случаях приобретает длительность нагревания. Известно немало пожаров, возникавших, например, в деревянных конструкциях зданий в результате воздействия паропроводов систем центрального отопления при температуре теплоносителя 110--160°С, длившегося на протяжении ряда месяцев. Такие случаи иногда называют тепловым самовозгоранием. Напомним, что температура самовоспламенения материалов при быстром нагревании находится в пределах 210--280°С. Указанную выше особенность этих материалов нужно учитывать, исследуя причины пожаров.

Понятия воспламенение, самовоспламенение и тление твердых горючих материалов являются производными от предыдущих двух понятий -- возгорания и самовозгорания.

Воспламенение является результатом возгорания материала и проявляется пламенным горением.

Самовоспламенение представляет собой результат самовозгорания веществ и проявляется также пламенным горением.

Тление является беспламенным горением и может быть результатом как возгорания, так и самовозгорания материала.

Иными словами, если в нашем примере войлок под действием пламени паяльной лампы возгорится с образованием пламени, в этом случае можно сказать: произошло воспламенение войлока. При отсутствии же необходимых условий для пламенного горения возгорание войлока может ограничиться его тлением. То же следует заметить и о воспламенении или тлении какого-либо самовозгоревшегося материала.

Возгорание и самовозгорание твердых материалов различаются по характеру вызвавшего их теплового импульса. Но каждый из них, представляя собой определенный вид начальной стадии загорания, может привести как к тлению, так и к воспламенению твердых горючих материалов.

Процесс тления может перейти в пламенное горение с активизацией окислительного процесса за счет дальнейшего повышения температуры или увеличения количества кислорода, участвующего в горении, т. е. при лучшем доступе воздуха.

Таким образом, возникновение процесса горения не зависит только от одного импульса теплоты. Действие последнего может вызвать горение лишь в том случае, если окажется благоприятной совокупность всех условий, необходимых для процесса горения. Поэтому, если в одном случае может быть недостаточным большой огневой импульс, то в другом горение возникнет в результате очень слабого источника поджигания.

1.3 Полное и неполное горение

Роль окислительного процесса при горении на пожарах. Выше отмечалась роль теплоты в развитии горения. При этом была очевидной тесная взаимосвязь, существующая между тепловыми и окислительными процессами. Однако последним при горении веществ и материалов принадлежит своя очень большая роль.

Окисление веществ при горении чаще всего происходит за счет кислорода, находящегося в воздухе.

Для полного горения одинакового количества различных веществ, требуется разное количество воздуха. Так, для сгорания 1 кг древесины необходимо 4,6 м³ воздуха, 1 кг торфа -- 5,8 м³ воздуха, 1 кг бензина -- около 11 м³ воздуха и т. д.

На практике однако, при горении полного поглощения кислорода воздуха не происходит, как так не весь кислород успевает соединиться с горючим. Необходим избыток воздуха, который может достигать 50% и более сверх теоретически необходимого для горения количества воздуха. Горение большинства веществ становится невозможным, если содержание кислорода в воздухе понизится до 14--18%, а для жидкостей -- до 10% по объему.

Газовый обмен на пожаре. Поступление воздуха к зоне горения определяется условиями газового обмена. Продукты горения, на гретые до значительной температуры (порядка нескольких сот градусов) и в результате этого имеющие меньший объемный вес по сравнению с объемным весом окружающей среды, перемещаются в верхние слои пространства. Менее нагретый воздух в свою очередь поступает к зоне горения. Возможность и интенсивность та кого обмена, конечно, зависят от степени изолированности зоны горения от окружающего пространства.

В условиях пожаров горение чаще всего является неполным, особенно если оно связано с развитием пожара в массе материалов или в частях зданий. Неполное, замедленное горение характерно для пожаров, развивающихся, например, в конструкциях сооружений с пустотелыми элементами. Неблагоприятные условия газового обмена вызывают недостаточное поступление воздуха, чем затрудняется развитие пожара. Аккумуляция тепла и взаимообогрев горящих элементов конструкций при этом не компенсируют тормозящего действия пониженного газообмена.

Известны случаи, когда с прекращением топки отопительного прибора, в дымоходе которого образовалась трещина на уровне перекрытия, с прекращением температурного воздействия на элементы перекрытия горение «самопроизвольно» прекращалось. Решающими при этом являлись недостаток кислорода и прекращение дополнительного поступления теплоты, необходимых для поддержания горения в этих условиях.

Случаи замедленного, неполного горения, вызванного не достатком кислорода, и даже самопроизвольного прекращения горения могут наблюдаться не только в частях зданий, но и в помещениях, лишенных необходимого воздухообмена. Такие условия наиболее характерны для помещений подвальных, кладовых и т. п., особенное плотно закрытыми оконными и дверными проемами.

Способствует этому также и большой объем выделяющихся газообразных продуктов, поскольку они препятствуют поступлению в зону горения воздуха извне. Так, при сгорании 1 кг древесины в условиях пожара образуется до 8 м³ газообразных продуктов. Хотя при неполном горении выделяется их меньше, однако и в этом случае количество продуктов горения исчисляется кубическими мет рами из каждого килограмма сгоревшего вещества (теоретический объем газообразных продуктов сгорания 1 кг древесины, приведенный к нормальным условиям, т. е. при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С, составляет около 5 м³).

Это обстоятельство приводит к заметному снижению интенсивности горения и увеличивает его продолжительность внутри помещений с недостаточным воздухообменом.

В продуктах неполного горения содержатся вещества, образующиеся в результате термического разложения и окисления горючих материалов. В их числе -- окись углерода, пары уксусного альдегида, уксусной кислоты, метилового спирта, ацетона и не которых других веществ, придающих месту пожара, обгоревшим предметам специфический вкус и запах, а также сажа.

Продукты неполного горения способны гореть, а при определенных соотношениях в смеси с воздухом образовывать взрывоопасные смеси. Этим объясняются происходящие иногда во время пожаров случаи взрывообразных воспламенений. Причины таких явлений нередко представляются загадочными. Интенсивное воспламенение, подчас весьма близкое по своему эффекту к взрыву, происходит в помещениях, в условиях, в которых, казалось бы, не должно быть никаких взрывчатых веществ.

Образование взрывоопасных концентраций продуктов неполного сгорания (главным образом окиси углерода) и заполнение ими отдельных замкнутых объемов непроветриваемых помещений воз можно даже в процессе тушения пожара. Последние случаи, однако, являются весьма редкими. Чаще взрывообразное воспламенение можно наблюдать на первой стадии тушения пожара, возникшего в закрытых помещениях при плохом газообмене, когда при вскрытии проемов концентрация продуктов неполного горения может оказаться во взрывоопасных пределах, если до этого она находилась за их верхним пределом.

Выяснение условий, в которых протекал процесс горения на пожаре, особенно до обнаружения его, имеет непосредственное отношение к определению периода начала пожара, а поэтому к исследованию тех или иных версий о причине его возникновения.

Горение, протекающее на пожарах при недостаточном газовом обмене, иногда очень напоминает процесс сухой перегонки. Такие пожары, будучи своевременно не обнаруженными, могут длиться часами. Как правило, они происходят ночью в учреждениях и на объектах, в которых ослаблен надзор в нерабочее и ночное время, а также отсутствует автоматическая пожарная сигнализация.

Иногда можно было наблюдать, как в результате подобных пожаров ограждающие конструкции помещений и предметы, находящиеся в них, покрывались черным блестящим слоем сконденсировавшихся продуктов термического разложения тлеющих материалов.

Случаи неполного горения, происходящие в небольших жилых помещениях, например, в результате неосторожного курения в постели, бывают связаны с последствиями, роковыми для их виновников. Содержание в воздухе 0,15% окиси углерода по объему уже опасно для жизни, а содержание 1% окиси углерода вызывает смерть. При расследовании таких дел о пожарах необходимо учитывать, таким образом, вероятность и ненасильственной смерти, которая может наступить в результате несчастного случая от действия окиси углерода. Непосредственную причину смерти устанавливает судебно-медицинская экспертиза.

Недостаточный газообмен может обусловить малозаметное и длительное тление материалов не только в стадии начинающегося пожара, но и после тушения его, когда по тем или иным причинам остались не ликвидированными отдельные небольшие очаги. По следующий, повторный выезд пожарной команды в этих случаях связан с ликвидацией одного и того же ранее недотушенного пожара. Такие случаи более вероятны при горении волокнистых и сыпучих материалов, в массе которых газообмен затруднен.

1.4 Пламя и дым

Процесс горения обычно вызывает образование пламени и дыма, которые, как правило, и являются первыми признаками пожара. Пламя представляет собой газовый объем, в котором происходит экзотермическая реакция соединения газообразных продуктов разложения или паров горючего материала с кислородом. Поэтому пламенем горят те вещества, которые при нагревании способны выделять пары и газы. К ним относятся целлюлозные материалы, нефтепродукты и некоторые другие вещества.

Светящееся пламя содержит раскаленные несгоревшие частицы углерода, входившего в состав горящего вещества. Последующее остывание этих частиц образует копоть. Копоть, оседающая на поверхности конструкций и материалов во время пожара, выгорает на участках с более высокой температурой и сохраняется там, где температура для сгорания копоти оказалась недостаточной. Поэтому отсутствие закопчения на отдельных, иногда резко очерченных участках ограждающих конструкций, предметах или наличие следов копоти с учетом характера этих признаков принимается во внимание при установлении очага пожара.

Температура светящегося пламени зависит не только от характера и состава горящего вещества, но и от условий горения. Так, температура пламени древесины может быть от 600 до 1200°С в зависимости от ее породы, полноты и скорости сгорания.

Температура пламени обычно соответствует практической температуре горения данного вещества. Последняя определяется теплотворной способностью горящего материала, полнотой и скоростью сгорания, избытком воздуха. Именно избыток воздуха приводит к тому, что практическая температура горения всегда бывает ниже теоретической.

Тление материалов, а также горение тех из них, которые не выделяют газообразных горючих продуктов термического разложения, представляют собой примеры беспламенного горения. В частности, без пламени сгорают, раскаляясь до высокой температуры, кокс и древесный уголь, излучая при этом тепло и свет.

По такому косвенному признаку, как цвет раскаленных стальных предметов, конструкций, кирпичей, камня, а также пламени, иногда можно получить ориентировочное представление о температуре в зоне горения на пожаре.

Цвета нагретой стали соответствуют следующей температуре (ориентировочно):

темно-красный 700°С;

светло-оранжевый 1200°С

вишнево-красный 900°С;

белый 1300°С

ярко-вишнево-красный 1000°С;

ярко-белый 1400°С

темно-оранжевый 1100°С;

ослепительно-белый 1500°С

Дым сопутствует горению на пожаре подчас в большей степени, чем открытое пламя, особенно на стадиях начинающегося пожара.

Горение может происходить еще в виде тления, но оно уже будет сопровождаться выделением дыма. Поэтому в тех случаях, когда пожар протекает без пламенного горения или оно происходит скрыто в конструкциях здания, дымообразование может явиться одним из первых признаков возникающего пожара.

Дым содержит продукты полного и неполного горения, разложения горящего материала, азот и частично кислород воздуха (в зависимости от избытка его при горении), а также сажу и золу, образующиеся в процессе сгорания материала.

Таким образом, дым представляет собой смесь горючих и негорючих паров и газов, твердых органических и минеральных частиц, паров воды.

Составом и особенностями горящих материалов, а также условиями горения определяются состав, а следовательно, запах, вкус и другие внешние признаки дыма, образующегося при горении. Иногда такие данные очевидцев начинающегося пожара облегчают установление очага пожара и его причины, если известно расположение определенных материалов и веществ в зоне пожара. Необходимо отметить, однако, что при совместном горении разных веществ, особенно в условиях развившегося пожара, характерные признаки каждого из них могут быть незаметны. В таких случаях по дыму далеко не всегда можно заключить о характере горящего вещества.

2. Передача теплоты и особенности распространения горения на пожарах

С началом процесса горения начинается распространение теплоты, которое может происходить теплопроводностью, излучением и конвекцией. Также происходит передача теплоты и распространяется горение на пожарах.

Передача теплоты теплопроводностью имеет место при неодинаковой температуре различных участков какого-либо тела (мате риала, конструкции) или различных тел, соприкасающихся между собой. Поэтому такой способ передачи теплоты еще носит название контактного. Теплота непосредственно передается от более нагретых участков тела к менее нагретым, более нагретыми телами менее нагретым телам.

Оставленный под напряжением электрический утюг на сгораемом основании, горящие угли или части конструкций, упавшие во время пожара на горючие материалы, -- примеры возникновения или распространения пожаров за счет контактной передачи теплоты.

При анализе причин пожаров иногда приходится учитывать теплопроводность материалов, с которыми могут быть связаны те или иные версии о причине пожара или условия его развития.

Теплопроводность различных материалов различна и обычно находится в прямом отношении к их объемному весу. Наиболее высокая теплопроводность у металлов. Небольшой теплопроводностью обладают волокнистые и пористые материалы, очень низ кой -- газы, в частности воздух. С повышением температуры или влажности теплопроводность материалов и веществ несколько возрастает.

Материалы, имеющие низкую теплопроводность особенно в условиях недостаточного газообмена, даже при длительном горении способны выгорать относительно небольшими, иногда строго ограниченными участками. К числу таких материалов следует отнести древесину, хлопок, бумагу, текстильные материалы и другие при массивном сечении или при плотной укладке.

Наряду с этим в практике хорошо известны случаи передачи теплоты металлическими элементами, проходящими сквозь несгораемые части зданий -- перекрытия, стены, покрытия и т. д.

Иногда это являлось причиной возникновения пожаров, в некоторых случаях способствовало дальнейшему их развитию с образованием вторичных изолированных очагов горения.

Передача теплоты излучением поверхностями нагретых твердых или жидких тел, а также газов (радиация) происходит на всех пожарах. Но в зависимости от условий действие лучистой теплоты проявляется в различной степени. Источником наиболее сильного излучения в таких случаях является пламя, в меньшей степени нагретые тела и дым. Важная особенность этого способа передачи теплоты состоит в том, что излучение не зависит от направленности движения окружающей среды, например от конвекции или ветра.

тепловой конвекция горение пожар



3. Конвекция. Основная закономерность распространения горения на пожарах

Передача тепла конвекцией на пожарах имеет наибольшее распространение.

Конвекция -- перемещение более нагретых частиц -- происходит в газах и жидкостях. Она образуется за счет разности в объемных весах с изменением температуры на отдельных участках жидкости или газа.

Нагретые по какой-либо причине объемы такой среды перемещаются вверх (если отсутствуют отклоняющие конвекцию течения или препятствия), уступая место менее нагретым и поэтому более тяжелым участкам среды.

Конвекция возникает сразу, как только повышается темпера тура с развитием процесса горения. Действие конвекции стимулирует газообмен, способствует развитию начинающегося пожара.

В условиях пожара конвекцией передаются основные массы тепла.

В случае пожара, происшедшего в одном из магазинов и описанного ранее, к числу характерных явлений следовало отнести значительную протяженность конвекционных потоков. Их путь -- от очага пожара к потолку помещения торгового зала, под потолком к проему в перекрытии у лестницы и через этот проем во второй этаж (всего около 20 м). По обугливанию отделки помещений и де формации плафонов, оформленных с применением органического стекла, можно было проследить путь конвекции и судить о значительной температуре этих потоков.

Конвекционные потоки с температурой в несколько сот градусов, омывая на своем пути конструкции и материалы, нагревают их, что может вызвать возгорание материалов, деформации и разрушения несгораемых элементов и частей здания.

Таким образом, конвекция, независимо от масштабов ее, в каждом отдельном случае определяет одну из основных закономерностей распространения горения на пожарах. Происходит ли горение в объеме здания или отдельного помещения, развивается ли оно, например, в мебели, оборудовании и т. д., во всех случаях конвекция имеет восходящий характер. Эту тенденцию в распространении горения необходимо учитывать при расследовании пожаров.

Нередко в ходе предварительного следствия или на суде можно слышать утверждения очевидцев пожара о том, что огонь был вначале замечен в верхней части постройки. Однако это не означает, что очаг возникновения пожара расположен там, где обнаружено появление огня. Очаг пожара может быть у основания сооружения, но горение, следуя указанной закономерности, может прежде всего распространиться вверх, например, по пустотным элементам конструкций и там принять открытый характер.

Наличие проемов и отверстий, в том числе случайных и незначительных по своим размерам, неплотностей и щелей, местное отсутствие защитного слоя (например, штукатурки) или ослабление его в процессе пожара способствуют восходящему развитию горения. Поэтому можно сказать, что схема распространения горения на пожарах в ее общем виде прямо противоположна свободному движению жидкости. Последняя всегда стремится стекать вниз, просачиваясь подчас в самые незначительные отверстия, неплотности. Конвекция же нагретых продуктов горения и связанное с этим его распространение, как мы отмечали, имеют восходящий характер.

Иногда конвекция вызывает перенос горящих предметов: тлеющую бумагу, угли, на открытых пожарах -- головни («галки») и даже горящие лесоматериалы, бревна. Горение в таких случаях приобретает вихревой характер. В районе пожара возникает ветер как результат гигантского, газового обмена, вызванного пожаром стихийного характера. Вынос таких тлеющих и горящих предметов конвекцией может образовывать новые очаги горения.

Попутно отметим, что к подобным результатам при развитии открытого пожара может привести ветер. Роль ветра при развитии открытых пожаров достаточно хорошо известна.

Направление конвекции в процессе пожара как на отдельных участках его, так и на основном может меняться. Происходит это в результате нарушения оконного остекления, образования прогаров и неплотностей, разрушения конструкций, а также в результате специального вскрытия их пожарными частями.

Конвекция на пожарах образует признаки, по которым можно устанавливать направленность и пути развития горения, а следовательно, и очаг возникновения пожара. Это связано с тем, что в конвекционном потоке происходит более интенсивное разрушение конструкций и материалов. Особенно характерным в этом отношении является движение конвекционных потоков в отверстиях и проемах.

Говоря о роли на пожарах естественно возникающей конвекции, необходимо отметить также и влияние на распространение горения движения воздуха, не связанного с пожаром. Воздушные потоки могут быть до возникновения пожара в конструкциях здания или в помещении, а также в атмосфере, окружающей объект, на котором возник пожар.

Разность температуры в различных частях здания, связь между ними, допускающая циркуляцию, направление и сила ветра будут определять местные условия движения воздушной среды так же, как и влиять на возникновение пожара и особенности его развития.

С возможностью существования воздушных течений приходится считаться, расследуя конкретные обстоятельства дел о пожарах. Именно этим условием иногда объясняется отсутствие первых признаков начавшегося загорания в одном месте или обнаружение их в другом, направленность развития горения в конструкциях (главным образом в горизонтальном направлении), скорость распространения пожара, его масштабы, когда пожар принял открытый характер.



4. Факторы, определяющие характер горения на пожарах и его результаты

Выше мы кратко рассматривали раздельно условия, необходимые для горения, и способы передачи теплоты. Отметили влияние этих факторов на процессы распространения горения во время пожаров. Однако следует подчеркнуть, что на пожарах в подавляющем большинстве случаев имеет место совокупность этих факторов или различные их сочетания.

Сложные и многообразные условия, в которых протекает процесс горения на пожарах, приводят к тому, что горение сооружений и материалов происходит неравномерно. Неравномерность, в частности, состоит в том, что скорость распространения огня и площадь, охваченная горением, увеличиваются не пропорционально времени горения, а прогрессивно, т. е. время, необходимое для развития огня на той или иной площади, не находится в прямой зависимости от ее размеров. Объясняется это тем, что с увеличением площади горения и его интенсивности прогрессивно нарастают тепловые и другие факторы, влияющие на развитие пожара.



5. Тепловые процессы, протекающие при горении в очаге пожара и их влияние на образование очаговых признаков

В результате горения, происходящего на пожаре, материалы, конструкции, оборудование и отдельные предметы, оказавшиеся в зоне действия высокой температуры, претерпевают различные разрушения, деформации или уничтожаются полностью. Как правило, в месте возникновения пожара происходят наиболее сильные выгорания и разрушения. На других участках пожара на конструкциях, оборудовании и материалах, в результате теплового воздействия, образуются характерные признаки, свидетельствующие о направленности горения. Причиной образования очаговых признаков являются закономерно протекающие тепловые процессы при горении в очаге пожара. К основным закономерностям тепловых процессов в очаге пожара относятся:

более продолжительное время горения в очаге по сравнению с другими участками пожара;

повышенный температурный режим;

передача тепла восходящим конвективным потоком.

Продолжительность тепловых процессов в очаге пожара

Продолжительность горения при пожаре в помещении определяется многими факторами, среди которых наиболее важными являются величина горючей нагрузки помещения, скорость выгорания материалов и условия газообмена.

Результаты исследования пожаров свидетельствуют о том, что продолжительность горения в очаге пожара, как правило, превышает продолжительность горения на других участках пожара, причём разница может составлять значительное время.

Это объясняется характером протекания процесса развития горения, который можно разделить на три последовательных периода (рис.1).

Первый период (ОА) соответствует развитию горения из небольшого очага до общего воспламенения в объёме помещения. В этот период пожар развивается при нестационарных условиях, когда скорость выгорания и условия газообмена меняются во времени. В конечной стадии этого периода резко увеличивается площадь горения, происходит быстрое нарастание среднеобъёмной температуры в помещении, в результате практически одновременного (в течение 30-б0с) воспламенения основной части горючего материала.

Рис. 1. Кривая ''Температура-время", характеризующая периоды развития пожара

Время первого периода изменяется в широких пределах и может достигать нескольких часов при ограниченных условиях газообмена. Для помещений средних размеров (административные, жилые и т.д.) при недостаточном газообмене время первого периода составляет 30-40 минут, а при оптимальном газообмене и негорючей облицовке стен - 15-28 минут.

Существенные изменения относительно второго периода развития пожара наблюдаются и в характере теплообмена. В первый период распространение пожара происходит преимущественно за счёт передачи тепла конвекцией и теплопроводностью. При этом температуры в различных зонах помещения заметно отличаются между собой.

Во второй (основной) период развития пожара (кривая АВ) сгорает основная часть горючего материала (до 80% от общей загрузки) практически с постоянной скоростью. При этом среднеобъёмная температура повышается до максимального значения. В этот период передача тепла происходит, главный образом, излучением.

Третий период соответствует периоду затухания пожара, в течение которого происходит медленное догорание угольного остатка, и температура в помещении снижается.

Таким образом, продолжительность горения в очаге пожара превышает аналогичные величины на других участках пожара на время первого периода развития пожара.

Температурный режим в очаге пожара

Формирование в очаге пожара более высокого температурного режима по сравнению с другими зонами пожара вызывается следующими факторами:

большим тепловыделением в очаге пожара по сравнению с другими зонами пожара,

характером распределения температурного поля при пожаре в помещении;

физическими законами формирования температурного поля в конвективных потоках.

Выделяющееся при горении тепло является основной причиной развития пожара и возникновения сопровождающих его явлений. Выделение тепла происходит не во всём объёме зоны горения, а только в светящемся слое, где совершается химическая реакция. Распределение тепла в зоне пожара постоянно изменяется во времени и зависит от большого количества факторов. Выделяющееся тепло воспринимается продуктами горения, которые передают тепло путем конвекции, теплопроводности и излучения, как в зону горения, так и в зону теплового воздействия, где смешиваются с воздухом и нагревают его. Процесс смешения происходит на всём пути движения продуктов горения, поэтому температура в зоне теплового воздействия понижается по мере удаления из зоны горения. В начальной стадии развития пожара расход тепла на нагрев воздуха, строительных конструкций, оборудования и материалов является наибольшим. Тепло, воспринимаемое строительными конструкциями, вызывает их нагрев, что приводит к деформациям, обрушению и воспламенению горючих материалов.

Продолжительность горения в очаге пожара превышает аналогичные величины на других участках пожара на время первого периода развития. Это вызывает большее выделение количества тепла и обуславливает повышенную температуру в очаге по сравнению с другими участками пожара.

Характер распределения температурного поля при пожаре в помещении также предопределяет формирование наивысшей температуры в очаге в начальный период развития пожара. Максимальная температура, которая обычно выше среднеобъёмной, бывает в зоне горения (очага пожара), а по мере удаления от неё температура газов снижается за счёт разбавления продуктов горения воздухом и других потерь тепла в окружающую среду.

Более высокая температура в очаге пожара обусловлена и характером формирования температурного поля в поперечном сечении конвективной струи.

Конвективные потоки образуются всюду, где имеются источники тепла и пространство для их развития. Возникновение конвективных потоков обусловлено следующими причинами. При горении воздух поступает в зону горения, часть его участвует в реакции горения, а часть нагревается. Образующийся у источника слой газа имеет плотность меньше плотности окружающей среды, в результате чего он подвергается действию подъёмной (Архимедовой) силы и устремляется вверх. Освободившееся место занимает плотный ненагретый воздух, который, участвуя в реакции горения и, нагреваясь, также устремляется вверх. Таким образом, возникает регулярный восходящий конвективный поток нагретого газа из зоны горения. Газовая среда, поднимаясь над зоной горения, вовлекает в движение воздух из окружающей среды, вследствие чего в её поперечном сечении формируется температурное поле. Температурное поле в поперечном сечении восходящих конвективных потоков распределяется симметрично относительно вертикальной оси с максимумом по оси струи. По мере удаления от оси температуры уменьшаются до температур окружающей среды на границе струи.

Указанные закономерности имеют место в первый период развития, т.е. при горении в очаге пожара. В этот период площадь горения незначительна и конвективная струя распространяется по законам восходящего потока в неограниченном пространстве, и максимальные температуры будут формироваться в центре над очагом пожара.

В дальнейшем, когда площадь пожара резко увеличивается, характер формирования температуры в конвективных потоках изменятся. При таких условиях конвективная струя распространяется в ограниченном пространстве, что меняет картину температурного поля в струе. Однако общий закон распределения температуры от максимума на оси до температуры окружающей среды на границе струи сохраняется.

Таким образом, все три указанные фактора обуславливают повышенную температуру в очаге пожара по сравнению с другими зонами, и это обстоятельство является характерной особенностью тепловых процессов в очаге пожара.

Характер передачи тепла из очага пожара

К закономерностям тепловых процессов в очаге пожара относится и расширяющийся характер распространения конвективных потоков из очага пожара и вследствие этого своеобразное поражение конструкций за счёт тепла, содержащегося в массе конвективной струи.

При горении движение конвективной струи над очагом пожара имеет турбулентный характер. Вихревые массы при своём поперечном перемещении за пределы струи увлекают слои неподвижной среды. При перемешивании происходит теплообмен между струёй и неподвижной средой. В результате этого масса струи растет, ширина её увеличивается, и форма конвективной струи принимает расширявшийся характер по мере движения вверх. Степень начальной турбулентности конвективной струи предопределяет угол её раскрытия. Чем выше степень турбулентности струи, тем интенсивнее подмешивается к ней окружающая среда и тем больше получается угол начального её расширения.

Таким образом, физические законы обмена тепла и движения предопределяют расширяющийся характер распространения восходящих конвективных потоков, а происходящий при этом теплообмен характерен для тепловых процессов в очаге пожара.

Рассмотренные основные закономерности тепловых процессов (более продолжительное время протекания их, повышенный температурный режим по отношению к другим участкам горения и характер передачи тепла путём конвективных потоков) присущи только горению в очаге пожара. Знание природы физических явлений, лежащих в основе формирования тепловых процессов, позволяет более обоснованно подходить к вопросу установления очага пожара.

Указанные закономерности тепловых процессов в очаге пожара носят более выраженный характер в начальном периоде развития пожара или при ликвидации горения в начале второго периода. При ликвидации горения в более поздние сроки происходит постепенное сглаживание различий между тепловыми процессами в очаге и на других участках пожара, что естественно отражается на характере поражений конструкций, материалов и оборудования. Это обстоятельство необходимо учитывать при установлении очага пожара.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Горение представляет собой химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и света. Оно возможно при сочетании следующих трех условий:

- присутствие горючего материала;

- наличие теплоты, достаточной для воспламенения горючего материала и поддержания процесса горения;

- присутствие кислорода (воздуха) в количествах, необходимых для горения.

С началом процесса горения начинается распространение теплоты, которое может происходить теплопроводностью, излучением и конвекцией.

Продолжительность горения при пожаре определяется многими факторами, среди которых наиболее важными являются величина горючей нагрузки, скорость выгорания материалов и условия газообмена. Скорость выгорания зависит от условий, в которых протекает процесс горения. Условия же горения (например, доступ воздуха, температура) на различных участках пожара и даже в одном месте, но в разное время неодинаковы.

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14-15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.



ЛИТЕРАТУРА

Мегорский Б.В. Методика установления причин пожаров, - М.: Стройиздат, 1966.

Зельдович Я.Б., Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наука, 2000.

Вильямс Ф.А., Теория горения. - М.: Наука, 2001.

Расследование пожаров. Учебник. /Под ред. Г.Н. Кириллова, М.А. Галишева, С.А. Кондратьева. - СПб.: СПБ университет ГПС МЧС России, 2007 - 544 с.

Федотов А.Ж. и др. Пожарно-техническая экспертиза, - М., 1986.

Расследование пожаров, - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1993.

Чешко И.Д. Экспертиза пожаров, - СПб.; СПб ИПБ МВД России, 1997.

В.Г. Донцов, В.И. Путилин. Пособие “Дознание и экспертиза пожаров”, ВСШ МВД СССР, Волгоград.

Чешко И.Д. Технические основы расследования пожаров, - М., 2002 г.

С.И. Таубкин. Основы огнезащиты целлюлозных материалов. Изд. МКХ РСФСР, 1960.

Справочное пособие для пожарно-технических экспертов, - Л., 1982 г.

С.И. Зернов. Первоначальные действия по факту пожара, М., 2005 г.

Чешко И.Д. Осмотр места пожара, М., 2004 г.

Размещено на Allbest.ru