Способы передачи теплоты. Теплопроводность и излучение на пожарах

 

С началом процесса горения начинается распространение тепло ты, 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 не сгораемые 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.

 

Рис. 9. План расположения построек, предметов и материалов, смежных с горящим объектом (место загорания отмечено флажком)

1 — склад целлулоида; 2 - емкости, установленные на деревянных основаниях; 3 — дощатый навес; 4 — площадка для отходов; 5 — деревянное основание напорного бака; 6 — столбы коммуникаций; 7 — обуглившееся деревцо на крыше здания; 8 — производственное здание; 9 — столб силовой электролинии; 10 — кабельная деревянная катушка; 11 — электрическая подстанция; 12 — потрескавшиеся оконные стекла; 13 —деревянная эстакада паровой линии; 14 — деревянный столб; 15 — окно, затянутое ацетилцеллюлозной пленкой (пленка расплавилась); 16 — обгоревший карниз

Действие лучистой теплоты под прямым углом к облучаемой поверхности (при прочих равных условиях) является более сильным. Гладкая и полированная поверхности хорошо отражают тепло вые лучи, а шероховатая темная обладает способностью поглощать их.

Как известно, тепловое излучение пожаров иногда достигает большой силы, приводит к загоранию построек, находящихся от горящего объекта на расстоянии десятков метров.

Насколько излучение во время пожара может быть интенсивным, показывает следующий пример.

На предприятии, связанном с использованием целлулоида, во время демонтажа старых коммуникаций искры при газорезательных работах попали в небольшое несгораемое помещение, где хранилось россыпью около 400 кг отходов целлулоида (рис. 9). Площадь этого помещения составляла 25 м². Оно имело один дверной и три широких оконных проема, выходящих на территорию предприятия. Оконные проемы были забиты досками.

Воспламенение целлулоида от попавших на него искр носило бурный характер. Двери и дощатая обшивка оконных рам были разрушены; над складом образовалось пламя высотой до 15—20 м, сохранявшееся около 5 мин. На прилегающей к складу территории были расположены производственные здания, вспомогательные постройки, различные устройства, предметы и т. д. Под действием лучистой теплоты все горючее в радиусе до 47 м загорелось. Образовался ряд изолированных очагов горения. Пожар был через не сколько минут ликвидирован пожарной командой объекта с по мощью рабочих, но результаты действия излучения сохранились в виде обгоревших и обуглившихся частей зданий, отдельных предметов и материалов. Так, почти полностью сгорел дощатый навес, находившийся на расстоянии 14 м от склада целлулоида. Опорные столбы коммуникаций, расположенные в 22 м от склада ив 17 м от навеса, обгорели начиная с высоты 0,5 м от земли. Столб силовой электролинии, расположенный в 33 м от склада, обгорел со стороны, обращенной к складу, начиная с высоты 1,3 м. В пределах от 3,5 до 5,5 м по высоте столба степень обугливания его была большей.

 

Рис. 10. Свес крыши, загоревшейся под действием лучистой теплоты

 

На открытой во время пожара входной двери подстанции, находящейся на расстоянии 30 м от горящего склада, слегка обгорела и сильно вспучилась масляная краска, стекла окон потрескались, а концы деревянных балок, торчащие из стены вышки этой подстанции, обгорели. Обгорели также свесы крыш двух зданий с толевыми кровлями, расположенными на расстоянии 35 и 47 м от факела пламени (рис. 10).

На расстоянии 38 м от горящего склада деформировалась и проплавилась ацетилцеллюлозная пленка, заменявшая остекление оконных рам. Были и другие признаки действия радиации факела пламени. Если, кроме того, обратить внимание на схему этого случая, то можно убедиться в том, что юго — юго - восточный ветер, дувший со скоростью 3 м/сек во время пожара, никакого влияния на излучение не оказывал. Большая часть объектов воздействия лучистой теплоты была расположена с наветренной стороны.

При развитии пожара внутри здания действие лучистой теплоты также может вызвать вторичные очаги горения. Осматривая место пожара, необходимо правильно объяснить причину образования таких изолированных очагов, не принимая их без проверки за самостоятельные очаги пожара.

При пожаре, возникшем в производственном здании, было, кроме того, обнаружено горение конструкций на чердаке этого здания. Перекрытия были железобетонными и никаких открытых отверстий или проемов, которые могли бы стать путями распространения пожара, в них не было. Возникло предположение о наличии второго самостоятельного очага пожара как результат умышленных действий. Более внимательный осмотр места пожара, однако, обязывал эту версию исключить. Выяснилось, что на чердаке, на расстоянии 45 см, от обгоревшей стойки, проходил металлический воздуховод диаметром 0,8 м. В процессе тушения он был разобран. В воздуховоде во время пожара интенсивно горели производственные отложения, в связи с чем он раскалился докрасна. Деревянная стойка загорелась под действием теплового излучения поверхностью раскаленного воздуховода.

 

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. Практика исследования пожаров повседневно приводит к такому выводу. На рис. 11 приведена схема распространения горения на одном из пожаров, иллюстрирующая это положение.

Рис. 11. Схема восходящего распространения горения на пожаре в результате передачи теплоты конвекцией (место загорания отмечено флажком)

 

Расположение горючего материала в пространстве является существенным для распространения горения. Если на пути конвекционного потока окажутся сгораемые конструкции или мате риалы, шахты или проемы, то это определит и основное направление распространения пожара. С этим мы встречаемся, например, при загорании деревянных построек, где путями распространения огня становятся поверхности стен и перекрытий, пустоты в конструкциях, лестничные клетки, оконные и дверные проемы (рис. 12).

 

Рис. 12. Пример влияния конвекции на развитие пожара в сгораемой постройке

 

Известен случай серьезного пожара, возникшего в лестничной клетке четырехэтажного здания одного из ленинградских институтов. Горючими материалами были очень небольшая деревянная будка бюро пропусков и масляная краска на стенах и маршах этой лестничной клетки, которую периодически окрашивали начиная с 1864 г. — со времени постройки здания.

Толщина слоя краски была от 1 до 3 мм, что в общей сложности составило около 1 т краски. Загорелась будка бюро пропусков, и через несколько минут лестничная клетка была охвачена огнем. Интенсивно горела масляная краска по всей поверхности стен и лестничных маршей, так как она оказалась на пути восходящего конвекционного потока продуктов горения.

Следует подчеркнуть в связи с этим примером, что благоприятные условия для развития горения в лестничных клетках за счет конвекции и хорошего газообмена требуют самого пристального внимания к мерам пожарной безопасности этих частей зданий. Лестничные клетки — основной и обычно единственный путь эвакуации людей. Этим и определяется их значение, особенно для деревянных зданий, имеющих пятую степень огнестойкости.

Вторичный очаг горения

Рис. 13. Распространение пожара за счет конвекции в здании с образованием вторичных очагов горения

 

Однако и при отсутствии непрерывного расположения горючих материалов на пути движения конвекции могут загораться мате риалы, оказавшиеся на отдельных участках, с образованием вторичных изолированных очагов горения.

Рис. 13 иллюстрирует случай распространения пожара, происшедшего в одном из клубов, — горела эстрада. При разведке пожара выяснилось, что горение развивается и на чердаке при наличии над залом железобетонного сводчатого перекрытия. Оказалось, что раньше в покрытии имелся небольшой световой фонарь 1. За тем он был ликвидирован: проем забили досками и задрапировали. Поток конвекции вызвал загорание драпировки и досок с выходом огня на чердак. Образовался новый, на первый взгляд независимый очаг горения.

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.

При отсутствии условий для свободного удаления продуктов горения из помещений, в которых возник пожар, в верхних зонах таких объемов, в основном за счет конвекции, резко повышается температура (рис. 14). Она может достигать такой величины, что происходит обугливание, воспламенение или деформация материалов и конструкций, находящихся от зоны очага пожара иногда на десятки метров. Так, в помещении выше упомянутого зрительного зала клуба (см. рис. 13) обуглилась дверь 2 балкона, расположенная на расстоянии 25 м от основного очага горения, возникшего на эстраде в противоположной части зала.

Рис. 14. Выгорание деревянной оштукатуренной обшивки и деформация металлической опоры, свидетельствующие о неравномерном распределении температуры по высоте помещения во время пожара

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.

 

Рис. 15. Схема движения конвекционных потоков во время пожара в чердачном помещении солодового цеха:

а — в период развития пожара; б — после разрушения кровли у конька

 

При развитии пожара в чердачном помещении солодового цеха пивоваренного завода, имевшего площадь крыши около 3000 м², наблюдались следующие явления.

Вначале естественное движение конвекционных потоков из очага пожара было направлено вверх к коньку, следуя уклону крыши, затем вдоль конька. Это сопровождалось развитием горения в том же направлении и способствовало такому развитию.

До прогорания конструкций крыши продукты горения от конька опускались по скату и находили выход через проемы неостекленных слуховых окон, которые в количестве 24 были устроены по периметру крыши этого здания (рис. 15, а). Постепенное разрушение конструкций крыши и деформация металлической кровли у конька меняли условия выхода дыма из горящего помещения. Нарушение плотности кровли вызывало возрастающий поток продуктов горения через неплотности, что в свою очередь ускоряло выгорание конька крыши и завершилось обрушением ее средней части.

В результате через разрушенный участок крыши дым устремился вверх, в то время как через слуховые окна извне образовалась сильная тяга воздуха в зону горения (рис. 15, б).

Рис. 16. Местное выгорание балки на пути движения конвекционного потока через отверстие в несгораемом перекрытии

 

На характер движения дыма влиял также и ветер, но в период интенсивного горения внутри чердачного помещения на конвекцию он существенного влияния не оказывал.

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 (рис. 16).

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.

При расследовании обстоятельств загорания, возникшего на участке колосников театральной сцены, очень важно было выяснить хотя бы ориентировочно время начала загорания. С этим был непосредственно связан вопрос о лицах, виновных в возникновении пожара. Наряду с исследованием других фактов были взяты объяснения очевидцев, находившихся за 20 мин до обнаружения пожара в этом месте. Выяснилось, что последние никаких признаков горения не заметили. Но горение (по результатам исследования обгоревших конструкций) продолжалось не менее 40 мин. Такая кажущаяся несогласованность может быть объяснена, если учесть место горения и особенности движения воздуха в здании театра. Происходило тление войлочного отепления, деревянной балки и камышитового заполнения стены в верхней части коробки сцены. Как выяснилось, тление возникло от непотушенного окурка, спрятанного в щель стены при нелегальном курении. В театре шло представление. Поэтому теплый воздух из зрительного зала поступал через портальный проем на сцену и поднимался к колосникам, удаляясь через неплотности в ограждающих конструкциях здания за его пределы. Эта тяга препятствовала прониканию дыма на сцену. Признаки его были замечены лишь позже, когда горение стало более интенсивным.

 

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 огняна 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.

Исследование случая пожара в чердачном помещении солодового цеха пивоваренного завода показало, что в момент обнаружения пожара дощатая подшивка крыши (крыша была отепленной) горела на площади до 25 м². Через 14 мин площадь, охваченная огнем, достигала 200—250 м², а через 18 мин, т. е. 4 мин спустя, уже 700 м². Еще через 5 мин огонь распространился по площади около 1600 м². К этому времени в зоне очага пожара прогорел участок крыши, покрытой в этом месте толью, а по коньку происходила деформация кровельной стали. Пожар начал принимать открытый характер. Горение усиливалось, и спустя еще 5 мин (через 28 мин от момента обнаружения пожара) огнем было охвачено до 2300 м² чердачного помещения. Последовавшее затем обрушение центральной части крыши улучшило условия борьбы с пожаром. После со средоточения необходимого количества пожарных частей горение было сравнительно быстро ликвидировано.

Площадь горения может особенно резко увеличиваться, если очаг пожара находится в ее центре. Тогда более благоприятными являются условия для одновременного распространения огня в различных направлениях.

На пожаре открытого склада утильрезины площадь горения возрастала примерно в такой прогрессии: через 5 мин после начала загорания были охвачены огнем штабеля утильрезины на площади около 60 м ²; через 11 мин — на площади 300 м²; через 16 мин — на 1000 м²; через 22 мин — на 1800 м²; через 28 мин — на площади около 2300 м². Некоторое замедление в нарастании горящих площадей, о чем свидетельствуют две последние цифры, было вызвано развертыванием основных сил и средств пожарной охраны, прибывающих по дополнительным вызовам.

Важное значение при этом имеют особенности горящего материала, а также способ его укладки.

В результате лавинообразного распространения огня по площадке склада утильрезины создалась прямая угроза пятиэтажному зданию склада, находившемуся в непосредственной близости от склада утильрезины (условия военного времени исключали возможность выноса этого склада в другое место). В частности, горение через оконные проемы одновременно распространилось на помещения трех складов — бумаги, текстильных материалов и каучука, расположенных в четвертом этаже здания. Исключительно тяжелые и сложные условия большого пожара, интенсивно развивавшегося на ряде участков, не позволили быстро сосредоточить необходимые силы и ликвидировать сразу горение в указанных выше складах. Поэтому, спустя некоторое время, пламя появилось в их противоположных оконных проемах.

По наблюдениям автора время распространения Горения составило по складу бумаги 1 ч, по складу текстиля — 50 мин, по складу каучука — 40 мин при относительно одинаковом количестве сил пожарных частей, работавших на участках этих трех складов.

Неодинаковое время развития пожара на разных участках в данном случае объяснялось различием материалов и условиями расположения их в объеме складов. Бумагу хранили в больших рулонах и кипах, сложенных штабелями; текстильные материалы (главным образом байка) — кусками на стеллажах, каучук — в тюках, расположенных штабелями ¹. Что же касается совпадения во времени горения и размерах площадей, охваченных огнем, в двух примерах, то оно может быть просто случайным.

Неравномерным является и распределение температуры в зоне пожара вследствие многообразия условий горения и способов передачи теплоты, а также различной последовательности горения на отдельных участках пожара. Образование зон с более высокой температурой во многом определяется также размещением, характером и количеством горючих материалов. Ранее мы уже отмечали, что температурный режим меняется и во времени на одних и тех же участках пожара.

Сказанное о горении на пожарах позволяет участок пожара по характеру происходящих процессов разделить на три зоны: зону горения, зону подготовки, т. е. область, где происходит агрессивное воздействие конвекции и лучистой теплоты на материалы, предметы и конструкции, и зону задымления. Зона горения в условиях развивающегося пожара увеличивается за счет зоны подготовки. Распространение же последней в свою очередь происходит в результате возрастающего теплового воздействия зоны горения. Таким образом происходит дальнейшее распространение пожара до полного уничтожения сгораемых материалов, конструкций, сооружений или до тех пор, пока процесс горения не будет приостановлен.

К пресечению - локализации и ликвидации развивающихся тепловых процессов пожара - в конечном итоге сводятся оперативно-тактические действия пожарных подразделений. К созданию необходимых условий

_________________

¹ Информационный сборник ЦНИИПО. Изд. МКХ РСФСР, 1957. Вопросы горения и пожарной профилактики.

для этого и условий пожарной безопасности направлены меры пожарной профилактики, осуществляемые заранее.

Таким образом, особенности развития пожара и его результаты будут определяться:

- наличием, характером, количеством и расположением (взаимным и в пространстве) горючего материала;

- условиями доступа воздуха в зону горения (газового обмена);

- количеством теплоты, условиями и способами распространения ее в зоне пожара;

- особенностями тушения пожара.

Правильно проанализировать и понять особенности конкретных случаев, разобраться в причинной связи между этими особенностями и действиями людей не всегда является простым делом. Но успешность расследования пожаров очень часто бывает связана именно с тем, насколько следователи и эксперты в состоянии опереться в своей работе на знание специфики явлений, происходящих на пожарах.

Умение уверенно разбираться в таких вопросах должно определять профессиональные деловые качества дознавателя пожарной охраны, следователя, специализирующегося на расследовании дел о пожарах, и особенно специалиста, дающего пожарно-техническое заключение, пожарно-технического эксперта.