Teoria spalania ibpo×aru

W AKCJI 6/2016
„Po×ar? Zazwyczaj pomo×e woda” [1].
prof. Stefan Svensson, 2014
Teoria spalania ibpo×aru
– najnowsze badania ibstare prawdy. Cz. II
mÊ. bryg. mgrbin×. Szymon Kokot-Góra
Absolwent SGSP, studiów podyplomowych BHP wbCIOP-PIB oraz studiów pedagogicznych nabUWM. Organizator wielu
miÇdzynarodowych warsztatów, wbtym presti×owych warsztatów IFIW wb2014 r.bwbOlsztynie. WspóÊautor ksiÃ×ki Podstawy
zabezpieczenia ib ratowania stra×aków podczas wewnÇtrznych dziaÊaÌ gaÐniczych. Wiceprezes SITP OddziaÊ wb Olsztynie,
pomysÊodawca iborganizator 3bdotychczasowych edycji cyklicznej MiÇdzynarodowej Konferencji „Po×ary WewnÇtrzne”.
ZaÊo×yciel strony www.cfbt.pl, pasjonat po×arnictwa. Odb1bwrzeÐnia 2016 r.brozpoczÃÊ 5-letni kontrakt, jako starszy oĆcer
ds. szkolenia wbCERN Fire Brigade, gdzie bÇdzie sÊu×yÊ jako pierwszy polski stra×ak wbhistorii jednostki
Z
nowu zacznę przewrotnie.
Choć nie odkrywam Ameryki tym stwierdzeniem,
ma jednak ono swoją wymowę.
Otóż w czasach, gdy zalewa nas potok informacji, które musimy przerobić na wiedzę, mamy tendencję do zbytniego komplikowania
spraw. Z jednej strony można rzec,
że wchodzimy na mistrzowski poziom zrozumienia zjawisk, z którymi się stykamy. Z drugiej jednak
Rys. 1.bStrefowy model po×aru
26
zapominamy, że gaszenie pożarów to zarówno sztuka, jak i nauka. Mimo wciąż pędzącego świata pewne rzeczy się nie zmieniają.
Chociaż nie, to nieprawda. Pewne rzeczy stają się jeszcze bardziej
fundamentalne i istotne niż dotąd
były – na przykład jak najszybsze
podanie wody na ognisko pożaru.
Niestety, czasem tę fundamentalną zasadę musi przypominać nam
profesor, abyśmy ponownie wzięli
ją do serca i uczynili z tzw. „szybkiej
wody” priorytet taktyczny.
Różnorodne zjawiska towarzyszące pożarom wewnętrznym sprawiają, że dzisiejsze środowisko takiego pożaru jest miejscem bardzo
niebezpiecznym. Zachodzi w nim
wiele zjawisk, które strażacy muszą
dobrze zrozumieć, jeśli chcą prowadzić działania bezpiecznie i skutecznie. W wyniku powszechnego wprowadzenia do użytku codziennego
tworzyw sztucznych doszło do niemal całkowitego zniknięcia materiałów pochodzenia naturalnego
z naszych domów, miejsc pracy czy
zakładów produkcyjnych. Wszechobecne plastiki, pianki czy laminaty oraz inne produkty syntetyczne
wzmagają zagrożenia występujące w pożarach. Zwiększone zagrożenie bierze się z większej gęstości
obciążenia ogniowego (wyższe ciepło spalania materiałów sztucznych
w porównaniu z materiałami naturalnymi), ze wzmożonej dymotwórczości, z większej dynamiki rozwoju pożarów oraz ze zwiększonego
wpływu wszelkich czynności stra-
W AKCJI 6/2016
Rys. 2.bPorównanie krzywych po×aru: tradycyjnej (czerwona) ibwspóÊczesnej (niebieska) [6]
żaków na pożar. W niniejszym artykule wyjaśniono kilka ważnych zjawisk związanych z pożarami oraz
działaniami strażaków.
Proces spalania
abÐrodowisko po×aru
wewnÇtrznego
Po omówieniu mechanizmów towarzyszących procesowi spalania
nadszedł czas na umiejscowienie ich
w środowisku pożaru wewnętrznego. Część z zagadnień omawianych
w pierwszej części artykułu („W Akcji”, 5/2016, s. 26) była już omówiona w tym kontekście, tym razem
jednak naszym polem rozważań
będzie pożar wewnętrzny od początku jego powstania do momentu jego zakończenia.
Kiedy proces spalania rozpoczyna się w pomieszczeniu, zaczyna się
dziać kilka rzeczy. Najłatwiej wytłumaczyć je na tzw. modelu strefowym pożaru wewnętrznego. Miejsce, w którym zaczyna się proces
spalania, nazywamy strefą spalania.
Jest to obszar, w którym występuje
spalanie płomieniowe i/lub bezpłomieniowe (żarzenie, tlenie) i z którego emitowane są promieniowanie cieplne oraz dym. Ponad strefą
spalania znajduje się strefa konwekcyjna. Pojęcie kolumny konwekcyj-
nej ognia zostało wyjaśnione w poprzedniej części. Wokół ogniska pożaru istnieje strefa oddziaływania
promieniowania cieplnego, którego źródłami są zarówno płomień
(im większa powierzchnia płomienia, tym większa wartość gęstości
strumienia promieniowania cieplnego), jak również warstwa podsufitowa gorących gazów pożarowych
– zwana strefą zadymienia. Strefę zadymioną od przestrzeni wolnej od zadymienia oddziela płaszczyzna neutralna (zwana niekiedy
strefą neutralną, jednak to pierwsze
określenie lepiej oddaje jej charakter) [2]. Płaszczyzna neutralna jest
miejscem, w którym panuje ciśnienie atmosferyczne (neutralne) – powyżej w warstwie zadymienia występuje nadciśnienie (powodowane
ekspansją termalną gazów), a poniżej – podciśnienie (powodowane zasysaniem powietrza do strefy spalania). Inaczej mówiąc, płaszczyzna
neutralna jest najczęściej poziomą
granicą między strefą zadymienia
a strefą wolną od dymu. Dlaczego
w jednym pomieszczeniu możliwe
jest zarówno podciśnienie, jak i nadciśnienie? Dlatego, że różnica temperatur w tych obu obszarach sięga
nawet kilkuset stopni! Płaszczyzna
neutralna niemal pokrywa się z li-
nią strefy zadymienia. De facto istnieje niewielkie przesunięcie, niemniej dla wizualnej oceny zachowania płaszczyzny neutralnej, będącej
podstawą rozpoznania warunków
ogniowych, nie ma ono większego znaczenia.
NagÊe
rozprzestrzenienie siÇ
po×aru
Na tym etapie wypada przypomnieć, że niebezpieczne zjawiska
pożarowe określane są w literaturze jako rapid fire progress – nagłe
rozprzestrzenienie się pożaru. Zazwyczaj ich wystąpienie wiąże się
z przejściem pożaru w fazę w pełni
rozwiniętą. Wśród zjawisk zawierających się w tym pojęciu naukowcy wyróżnili z czasem 3 zasadnicze zjawiska:
· fire gas ignition – zapłon gazów
pożarowych – jako grupę kilku
zjawisk związanych z występowaniem gazów pożarowych w stanie palności lub przejściem ich
w taki stan poprzez wymieszanie
z powietrzem, ogrzanie i/lub pojawienie się źródła zapłonu; najmniej dynamicznym ze zjawisk
będzie rollover (języki ognia pełzające pod sufitem), a najbardziej
dynamicznym – wybuch dymu
27
W AKCJI 6/2016
(bardzo rzadkie zjawisko o niezwykle dynamicznym przebiegu, zdolne niszczyć budynki, zupełnie jak wybuch gazu palnego
z instalacji lub butli);
· flashover – rozgorzenie;
· backdraught / backdraft – wsteczny ciąg płomienia [3].
Wymienione zjawiska różnią się
między sobą mechanizmem powstawania, jednak wszystkie związane są z palnością dymu. Jeśli chodzi o samo zjawisko wstecznego
ciągu płomieni, to jest ono o wiele
rzadziej występującym zjawiskiem
niż dwa pozostałe, a z uwagi na swoją dynamikę i przebieg stwarza bardzo duże zagrożenie. O ile zjawiska
rozgorzenia i pewne formy zapalenia gazów pożarowych dają się zaobserwować w ćwiczebnych komorach ogniowych, o tyle uzyskanie zjawiska backdraftu jest trudne,
a brak obycia z nim dodatkowo potęguje niesione zagrożenia. Wykorzystanie obiektów w małej skali
pozwala jednak na zaobserwowanie przebiegu zjawiska backdraftu
(tzw. domki dla lalek).
Powszechnie wiadomo, że niekontrolowany proces spalania może
przerodzić się w pożar. Jeśli ułożenie
paliwa (np. wyposażenia wnętrza,
mebli czy materiałów palnych) jest
odpowiednie i nie zostaną podjęte
próby gaszenia pożaru w zarodku,
doprowadzi to do rozwoju pożaru.
W miarę produkcji ciepła i promieniowania wytwarzanego przez płomień następne porcje materiałów
palnych zaczynają przechodzić kolejne etapy związane ze spalaniem
płomieniowym ciał stałych. Najpierw
dany materiał ogrzewa się. Po osiągnięciu pewnej temperatury, zazwyczaj około 200-250°C dla większości
materiałów, zaczyna się proces rozkładu, który polega na termicznym
niszczeniu materiału i ma charakter
nieodwracalny. Temu etapowi towa28
rzyszy wydzielanie się produktów
rozkładu termicznego, które na ogół
przybierają postać jasnego dymu.
Ze względu na stosunkowo niską
temperaturę, w porównaniu z temperaturą pożaru w pełni rozwiniętego, dym ten nie jest bardzo gorący,
dlatego unosi się relatywnie powoli. Może być zaciągany z napływającym powietrzem do strefy spalania
i unoszony do strefy podsufitowej,
wzbogacając mieszaninę gazów pożarowych z powietrzem znajdującą
się w tym górnym rejonie. Równolegle do tego procesu strefa spalania stopniowo powiększa się, emitując ciepło rozchodzące się na drodze przewodzenia, promieniowania
i konwekcji (unoszenia). Ciepło zawarte w dymie wędruje do strefy
podsufitowej na drodze konwekcji i rozprzestrzenia się we wszystkich możliwych kierunkach, szukając ścieżki najmniejszego oporu. W przypadku braku możliwości
swobodnego rozpływania się dym
i zgromadzone w nim ciepło zbierają się pod sufitem do momentu
aż wysokość warstwy zadymienia
jest wystarczająca, aby dym zaczął
wypływać np. przez górną część
otwartych drzwi lub okna. Obecność gorącej warstwy zadymienia
w strefie podsufitowej potęguje ilość
ciepła promieniowanego do paliw
w danym pomieszczeniu, nieobjętych jeszcze spalaniem płomieniowym. Jeśli istnieje dopływ powietrza do tego pomieszczenia, to powietrze to będzie powodować ciągły
wzrost wydzielanego w strefie spalania ciepła, powiększanie się strefy spalania i w konsekwencji zwiększenie dawki promieniowania, jaka
trafia do pozostałych paliw (elementów wyposażenia). W miarę
otrzymywania dawki promieniowania cieplnego ze strefy spalania
i ze strefy podsufitowej nawet najbardziej oddalone materiały zaczy-
nają przechodzić etapy ogrzania
się i rozkładu termicznego. Emisja
produktów rozkładu termicznego,
o charakterystycznym jasnym kolorze, z większości materiałów palnych w pomieszczeniu jest oznaką
zbliżającego się bardzo szybko zjawiska rozgorzenia [4].
Przebieg po×aru
W tym momencie warto zwrócić
uwagę na charakterystyczne momenty w przebiegu pożaru. Na początku możemy mówić o „pożarze kontrolowanym przez paliwo”,
co oznacza, że na dynamikę spalania wpływa jedynie charakterystyka
paliwa (ilość, palność, stopień rozdrobnienia, wzajemne ułożenie),
a nie dostęp powietrza. W miarę powiększania się strefy spalania ilość
dopływającego powietrza zaczyna
być niewystarczająca do utrzymania wciąż rosnącej dynamiki rozwoju pożaru. W pewnym momencie dochodzi do stanu, w którym
dynamika rozwoju zaczyna być kierowana ilością dopływającego powietrza. Dzieje się to przy intensywnym wypływie gazów pożarowych
przez otwory wentylacyjne, stąd
burzliwy przebieg wymiany gazowej i widoczne turbulencje płaszczyzny neutralnej. Mówimy wówczas
o przejściu do „pożaru kontrolowanego przez wentylację”. Najczęściej
około tego momentu zmiany charakteru procesu spalania dochodzi
do zjawiska rozgorzenia, bowiem
niedobór tlenu spowodowany jest
właśnie ogromnym zapotrzebowaniem na ten element trójkąta spalania, co związane jest z wydzielaniem
dużych ilości ciepła, zbliżając pożar
do momentu wystąpienia opisywanego zjawiska. O wystąpieniu rozgorzenia zdecyduje wówczas fakt istnienia stałego dostępu powietrza
do strefy spalania. Jeśli dostęp istnieje, rozgorzenie nastąpi (pod wa-
W AKCJI 6/2016
runkiem obecności wystarczającej
ilości paliw). Jeśli dostępu nie ma,
dojdzie do stłumienia pożaru. Wypada w tym miejscu dodać, że istnieje też skrajny stan pożaru kontrolowanego przez wentylację, zwany
„pożarem niedowietrzonym” lub niedotlenionym. Ów stan sprzyja występowaniu zjawiska „backdraftu”,
i został opisany w dalszej części
artyukułu. W literaturze anglojęzycznej te stany pożaru nazywane
są fuel controlled (FC, kontrolowany
przez paliwo) i ventilation controlled
(VC, kontrolowany przez wentylację),
a ważny do rozpoznania moment
przejścia z jednego do drugiego stanu określany jest mianem punktu
FC/VC (FC/VC point). W niniejszym
artykule określany będzie mianem
„punktu KP/KW”.
Zjawisko rozgorzenia
Jeśli istnieje dostęp powietrza
do pożaru i temperatura w warstwie podsufitowej blisko sufitu
osiągnie pewną wartość, a dodatkowo dawka promieniowania cieplnego na poziomie podłogi jest
dostatecznie wysoka, wówczas
może dojść do zjawiska rozgorzenia. Na ten lawinowy skok temperatury i ciepła wpływają zazwyczaj
jeszcze dwa zjawiska. Po pierwsze,
wysokość płomienia zaczyna sięgać
sufitu i wówczas płomień zaczyna
szukać kontaktu z tlenem, zakrzywiając się i wędrując po suficie. Nie
jest to zawsze widoczne dla strażaka obserwującego pożar z pewnej
odległości, natomiast przebywając blisko strefy spalania i obserwując strefę spalania z poziomu
poniżej granicy zadymienia, można prześledzić moment, w którym
płomień dosięga sufitu. Pojawienie
się płomienia na suficie i jego wędrówka w poszukiwaniu tlenu powodują wzrost temperatury warstwy podsufitowej i emitowanego
z niej ciepła. Dodatkowo powietrze
zasysane do kolumny konwekcyjnej nie ma możliwości szybkiego
i skutecznego spalania się ze względu na osiągniętą w tym momencie
dynamikę procesu spalania i szybki
przepływ gazów pożarowych i powietrza w pomieszczeniu (przyspieszoną wymianę gazową). Powietrze
trafia do strefy zadymienia, niesione siłą konwekcji i podgrzewane
w czasie tej wędrówki. W strefie zadymienia owo powietrze pozwala
na spalanie się paliwa, i to właśnie
powoduje ten nagły wzrost temperatury pożaru, obserwowany
wkrótce po zetknięciu się płomienia z sufitem. Ten sam mechanizm
„szukania tlenu przez płomień” powoduje, że pożary rozpoczynające
się w rogu (gdzie dostęp tlenu jest
ograniczony z dwóch stron) postępują szybciej od tych przy ścianie
czy na środku pomieszczenia, gdzie
dostęp tlenu do płomienia jest lepszy. Parafrazując, im gorszy dopływ
tlenu, tym wyższy płomień na danym etapie rozwoju pożaru. Można
to sprawdzić, zasłaniając niepalnym
materiałem płomień świeczki z jednej strony lub dwóch stron. Drugim
mechanizmem sprzyjającym lawinowemu wzrostowi parametrów pożaru jest spalanie płomieniowe paliw zawartych w dymie, następujące
na styku strefy zadymienia i strefy
wolnej od zadymienia (w okolicy
płaszczyzny neutralnej). W wyniku odpływu dymu ze strefy spalania i napływu powietrza w przeciwnym kierunku na granicy tych stref
dochodzi do mieszania się gazów
i osiągania zakresu palności. Pojawienie się płomienia w tym miejscu (kiedyś zwane ubogim rozgorzeniem, a w literaturze fachowej
nazwane zjawiskiem rollover, czyli
jednym z wielu przypadków zapalenia gazów pożarowych) jest kolejnym powodem lawinowego skoku
Rys. 3.bFormuÊy dobkalkulacji
zapotrzebowania nabwodÇ dobcelów
gaÐniczych dla obiektów obró×nym
przeznaczeniu
temperatury i ciepła w pomieszczeniu. Według literatury po osiągnięciu
poziomów około 600°C przy suficie
i gęstości strumienia promieniowania cieplnego na poziomie podłogi
rzędu 20 kW/m2 dochodzi do zjawiska rozgorzenia. Wówczas płomienie
ogarniają całą lub niemal całą objętość strefy zadymienia, a wszystkie powierzchnie palne, wystawione
na ogromną dawkę promieniowania
cieplnego, niemal jednocześnie stają
w płomieniach. Efektem rozgorzenia
jest spalanie płomieniowe wszystkich materiałów (powierzchni) palnych. Może to spowodować niedobór tlenu i spalanie się objętości gazowej (dymu i produktów spalania
i rozkładu termicznego) poza pomieszczeniem. Zjawisko to na ogół
nie przebiega momentalnie i można wskazać okres zazwyczaj od kilku do kilkunastu sekund, w którym
ma miejsce rozgorzenie. Podane powyżej parametry pożaru osiągającego stan są wartościami przybliżonymi. W literaturze można znaleźć
zakresy tych parametrów w granicach około 450-770°C i 15-33 kW/m2,
chociaż w większości przypadków
ostatnia wartość zazwyczaj wynosi
powyżej 20 kW/m2. Po wystąpieniu
zjawiska rozgorzenia pożar przechodzi w fazę w pełni rozwiniętą i osiąga na pewien czas w miarę stałą, najwyższą temperaturę oraz szczytowy
29
W AKCJI 6/2016
poziom emisji ciepła. Jeżeli nie nastąpi jego gaszenie (zabranie ciepła z trójkąta spalania), intensywność spalania spadnie dopiero wtedy, kiedy paliwo zacznie się wypalać
(zmniejszy się ilość paliwa dostępnego w danym czasie do spalania)
lub odcięty zostanie dopływ tlenu.
DeĆcyt powietrza
Wspomniano wcześniej o większych
gęstościach obciążenia ogniowego
dzisiejszych paliw, wynikających
z większej wartości ciepła spalania.
Z tego powodu we współczesnych
pożarach często dochodzi do deficytu powietrza dopływającego do strefy spalania. Niemal 100 lat temu udowodniono, że dana ilość tlenu biorąca udział w spalaniu spowoduje
wydzielenie stałej ilości ciepła, niemal niezależnie od rodzaju materiału palnego (tzw. reguła Thorntona). Z tego powodu w sytuacji, kiedy
pożar rozwija się, spalanie ma charakter bardziej intensywny niż kiedyś, rozwój pożaru jest bardziej dynamiczny, a zużywanie tlenu szybsze. Doprowadzi to do wystąpienia
sytuacji, w której w pomieszczeniu
nagromadzona zostanie duża ilość
ciepła w stosunkowo krótkim czasie. Spowoduje to rozkład termiczny
większości ogrzanych już wtedy paliw i dojście do momentu, w którym
deficyt tlenu spowoduje przygaśnięcie pożaru. Jeśli w tym momencie
zostanie stworzony dopływ powietrza, na przykład strażacy otworzą
drzwi lub wybiją szybę albo szyba
sama wypadnie pod wpływem nagrzania się, to zjawisko rozgorzenia może nastąpić w krótkim czasie. Porównanie dwóch krzywych
pożaru (rys. 2) – tradycyjnej i współczesnej – pozwoli zauważyć opisywaną różnicę w rozwoju pożaru wewnętrznego kiedyś i dziś. W związku z tym można obecnie mówić
o rozgorzeniu wywołanym wen30
tylacją. Ten duży wpływ wymiany
gazowej na środowisko pożaru jest
ważnym elementem, który musi być
strażakom uświadamiany, bowiem
ma duże znaczenie dla ich bezpieczeństwa [5].
Na rys. 2 widać kilka różnic między tradycyjną i współczesną krzywą pożaru. Pożar kontrolowany
przez paliwo (KP) w pierwszej fazie rozwoju zaczyna się rozwijać
i wzrasta zapotrzebowanie na tlen.
Prowadzi to do przejścia w pewnym momencie do pożaru kontrolowanego przez wentylację (KW).
Ponowne spowodowanie wymiany gazowej (wentylacja w wyniku działań straży pożarnych, wypadnięcia okna lub otwarcia drzwi
przez osobę postronną itd.) pozwoli na ponowny rozwój. Tym razem
najczęściej pożar osiągnie stadium
pełnego rozwoju. Jeśli na tym etapie dokonamy wycinki dachowej
lub otworzymy klapy dachowe,
to przy otwartych drzwiach dojdzie do jeszcze większego wzrostu
dynamiki pożaru, bowiem siły konwekcji będą przyspieszać wymianę
gazową. Podanie wody na pożar
spowoduje zatrzymanie wydzielania ciepła i przejście w stadium
wygasania. Oczywiście musi być
to ilość adekwatna do powierzchni objętej spalaniem oraz stadium
rozwoju. Paul Grimwood dowodzi,
że dla pomieszczeń mieszkaniowych i podobnych będzie to około 5 l/min na każdy m2 powierzchni pożaru, przy czym wymagany
jest jeszcze pewien czas gaszenia
w celu osiągnięcia zamierzonych
efektów. Na przykład jeśli w mieszkaniu palą się pomieszczenia o łącznej powierzchni 40 m2, to podanie
wody z intensywnością 200 l/min
powinno ugasić ten pożar, przy zachowaniu optymalnej skuteczności gaśniczej, komfortu termalnego dla strażaków oraz ograniczeniu
strat związanych z nadmiarem użytej wody. Nie byłbym sobą, gdybym
nie zaznaczył, że linie szybkiego natarcia, tak popularne wśród strażaków, są z tego powodu absolutnie
niewłaściwe do gaszenia pożarów
mieszkań. Owszem, wiele razy się
to uda, niemniej gaszenie może
przebiegać przy dużo mniejszym
komforcie termalnym dla strażaków, a dodatkowo w momencie
niekorzystnego rozwoju sytuacji
pożarowej (np. wypadnięcie okna
i oddziaływanie wiatru na pożar)
można powiedzieć, że zostajemy
na placu boju z procą, a właśnie
wjeżdża tam czołg [7].
Aby móc dokładniej oszacować
zapotrzebowanie wodne, stworzono na bazie doświadczeń i analiz
akcji formuły do kalkulacji. Dotyczą one obiektów mieszkalnych,
przemysłowych oraz innych (rys. 3).
Zostaną one omówione dokładniej
w kolejnej części artykułu.
Na tym wypada zakończyć
tę część rozważań o naturze pożarów. W kolejnej części przyjrzymy
się zjawiskom pożarowym, a także
rozważymy kwestię wpływu wiatru
na środowisko pożaru wewnętrznego. Do przeczytania!
‰
Piśmiennictwo
1. International Fire Instructors Workshop.
Olsztyn 2014.
2. Karlson B., Quintiere J.G.: Enclosure
fire dynamics. CRC Press LLC, 2000.
3. Grimwood P., Hartin E., Raffel S.,
McDonough J.: 3D Firefighting: Training, Techniques, and Tactics. Fire
Protection Publications, 2005.
4. Bengtsson L.G.: Enclosure fires. Szwecja 2001.
5. www.cfbt-us.com.
6. Kokot-Góra S.: Wentylatory i wentylacja w straży. „W Akcji”, nr 2/2016.
7. Grimwood P.: A study of 5401 UK Building Fires 2009-2012 is used to determine Optimum Firefighting Water
Requirements. Praca doktorska, Caledonian University of Glasgow, 2015.