Pożar – niepożądane i niekontrolowane spalanie materiału palnego, generujące ciepło, gazy i dymy pożarowe, powoduje niszczenie środowiska oraz zagrożenie zdrowia i życia ludzi. Jest zjawiskiem nieodłącznie związanym ze spalaniem, które jest egzotermicznym procesem termodynamicznym zdolnym do samoczynnego przyśpieszania i przemieszczania się w przestrzeni wypełnionej paliwem i utleniaczem. Pożar zależy od fizyko-chemicznych procesów spalania oraz od warunków w jakich te procesy przebiegają.
Podział pożarów: zewnętrzne i wewnętrzne.
Pożar zewnętrzny – niepożądane i niekontrolowane spalanie ograniczone tylko podłożem. Wymiana gazów jest nieograniczona innymi brzegami.
Pożar wewnętrzny – zachodzi w ograniczonej przestrzeni, do której jest niepełny dostęp tlenu lub w ogóle jego brak. W początkowej fazie pożar wewnętrzny o małej strefie spalania może być traktowany jako pożar zewnętrzny.
Podział pożarów w górnictwie: pożary endogeniczne, pożary egzogeniczne.
Pożar endogeniczny – zapalenie powstało na skutek procesów fizyko-chemicznych zachodzących wewnątrz węgla (samozapalenie).
Pożar egzogeniczny – zapalenie powstało na skutek zetknięcia się materiału palnego ze źródłem odpowiednio wysokiej temperatury.
Wybuch – spalanie przebiegające wewnątrz mieszaniny, w której paliwo i utleniacz znajdują się wewnątrz, w skutek którego energia powstająca jest oddawana prawie natychmiast i jednocześnie, co powoduje wzrost ciśnienia.
Spalanie – reakcja chemiczna paliwa i utleniacza, podczas której wydziela się ciepło (zachodząca w układzie termodynamicznym).
Model spalania:
Ciepło reakcji chemicznej – ilość ciepła wydzielonego lub doprowadzonego podczas reakcji chemicznej przy założeniu, że przemiana odbywa się izotermicznie i jeden z parametrów V lub P jest stały.
Prawo Hessa – ciepło reakcji nie zależy od drogi przemiany, a jest tylko funkcją stanu początkowego i końcowego przemiany.
Ciepło spalania – ciepło wydzielone podczas spalania całkowitego i zupełnego paliwa, podczas którego produkty zostają sprowadzone do temperatury początkowej.
Spalanie całkowite – spalanie, gdy wszystkie palne składniki paliwa ulegną spaleniu.
Spalanie zupełne – spalanie, gdy spaliny nie zawierają składników palnych.
Obliczanie ciepła spalania dla dowolnej temperatury T: 1) sprowadzenie substratów z temperatury T do temperatury standardowej T0 (proces 1 – a), 2) spalanie w warunkach STP (proces a – b), 3) Sprowadzenie produktów do stanu 2, w którym H2 = H1 i U2 = U1.
Rodzaje spalania: adiabatyczne, nieadiabatyczne
Wartość opałowa – ilość ciepła wydzielanego podczas izochorycznego spalania całkowitego i zupełnego w warunkach standardowych, podczas którego powstająca para wodna uległa skropieniu unosząc z sobą ciepło parowania.
Dysocjacja – zjawisko rozpadu złożonych związków chemicznych na większą liczbę związków prostszych pod wpływem wysokiej temperatury.
Entalpia swobodna Gibbsa (potencjał izobaryczno – izotermiczny): G=H=TS dla p, T = const. Entalpia swobodna nie może zwiększać się w samorzutnych przemianach termodynamicznych przy p = const i T = const, a może jedynie maleć: dG = dH – TdS <0. Entalpia Gibbsa jest funkcją składu i temperatury produktów spalania.
Wybuch chemiczny – spalanie w postaci szybkiej (mikrosekundowej) egzotermicznej reakcji chemicznej zachodzącej w specjalnych stałych i ciekłych materiałach oraz w palnych mieszaniach gazowo-powietrznych, której towarzyszy zmiana energii potencjalnej w pracę mechaniczną. Praca ta wykonana jest przez rozprężające się gazy powstające podczas tej reakcji.
Ciepło wybuchu – parametr określający miarę egzotermiczności reakcji.
Prędkość rozprzestrzeniania się płomienia – miara szybkości przebiegu wybuchu.
Gazowe produkty wybuchu (spaliny, gazy powybuchowe) – nośniki wysokiego ciśnienia, odpowiedzialne są za szybką przemianę nagromadzonej energii potencjalnej w pacę mechaniczną lub/i w energię kinetyczną.
Podział procesów wybuchowych: 1) deflagacja, 2) eksplozja, 3) detonacja.
Deflagacja – spalanie, w którym płomień rozprzestrzenia się względem spalin zawsze z prędkością poddźwiękową, a względem gazu przed czołem płomienia z prędkością poddźwiękową lub naddźwiękową. Proces spalania przebiega stosunkowo powoli i ze zmienną prędkością, zależną od warunków otoczenia.
Eksplozja – spalanie, w którym płomień rozprzestrzenia się względem spalin ze zmienną prędkością naddźwiękową i podobnie względem gazu przed czołem płomienia. W miejscu przemiany występuje nagły skok ciśnienia i powstaje fala uderzeniowa. Rozprzestrzenianie się płomienia gazowych produktów wybuchu w niewielkim stopniu zależy od czynników zewnętrznych. Gazy powybuchowe uderzają gwałtownie na otaczające środowisko powodując trwałe zniszczenia mechaniczne.
Detonacja – spalanie, w którym płomień rozprzestrzenia się ze stałą i maksymalną dla danego materiału wybuchowego lub mieszaniny wybuchowej prędkością naddźwiękową, a względem gazu przed czołem płomienia również zawsze z prędkością naddźwiękową. Detonacja jest stacjonarną postacią wybuchu. Prędkość detonacji stanowi więc ważny parametr, który ją charakteryzuje.
Krzywe Rankine’a-Hunoniota: krzywe opisujące związek między ciśnieniem i gęstością (objętością właściwą) produktów wybuchu. Opisują one stan gazów przed i za falą uderzeniową. Jeśli za falą uderzeniową następuje wydzielenie ciepła wskutek spalania to powstaje fala detonacyjna. Krzywe: 1) adiabata uderzeniowa, 2) adiabata detonacyjna (krzywa dla spalania w układzie ciśnienie-objętość właściwa)
Odcinek krzywej R-H odpowiadający detonacji:
Odcinek krzywej R-H odpowiadający deflagracji:
Teoria cieplna – ilość ciepła będącego efektem reakcji spalania musi przewyższać straty cieplne wynikające wskutek wymiany energii z otaczającym ośrodkiem. Ciepło reakcji, pomniejszone o te straty, powoduje wzrost temperatury i przyśpiesza reakcję.
Teoria chemiczna (łańcuchowa, rodnikowa): wiele reakcji chemicznych przebiega według schematu łańcuchowego. Odznaczają się one dużą wrażliwością na działanie katalizatorów. Katalizatory mogą przyśpieszać lub hamować reakcje. Reakcje łańcuchowe przebiegają w sposób bardziej skomplikowany niż wynikałoby to z równań stechiometrycznych reakcji. Dzieje się tak dlatego, że w reakcjach uczestniczą fragmenty cząstek nie uwzględniane w równaniach. Tymi nietrwałymi elementami cząstek są wolne atomy, rodniki o nienasyconych wartościach, cząstki pobudzone i inne elementy. Przykładem takiego spalania jest zapalenie lub wybuch mieszaniny metanowo-powietrznej. Przerwanie reakcji łańcuchowych może nastąpić wskutek zderzenia rodnika ze ściankami ograniczającymi nagromadzoną mieszaninę palną. Rodnik traci wówczas nadmiar energii.
Czynniki niezbędne do powstania pożaru lub wybuchu: niezbędne jest uaktywnienie cząsteczek mieszaniny reakcyjnej, przynajmniej w jednym miejscu, przez nadanie jej odpowiedniej energii kinetycznej, aby przy wzajemnym zderzeniu mogły wejść w reakcję. Wydzielone ciepło reakcji pewnej ilości cząsteczek jest zdolne zaktywizować następne cząsteczki i w ten sposób reakcja spalania dalej może już przebiegać samoczynnie z określoną szybkością i przemieszczać się w przestrzeni wypełnionej materiałem palnym i tlenem.
Trójkąt pożarowy –skojarzenie trzech czynników (materiału palnego, źródła zapłonu i tlenu) w sposób doprowadzający do pożaru.
Pięciokąt wybuchowości – skojarzenie pięciu czynników (zamknięcie przestrzeni, w której zachodzi spalanie, wymieszanie paliwa i utleniacza w dużej objętości, materiału palnego, źródła zapłonu i tlenu) w sposób doprowadzający do spalania wybuchowego.
Materiały niepalne – materiały nieorganiczne (naturalne lub sztuczne), które poddane oddziaływaniu płomienia lub ciepła nie zapalają się, nie wydzielają palnych par lub gazów, nie wydzielają ciepła powodującego wzrost temperatury.
Materiały palne – wszystkie materiały nie spełniające warunków określonych dla materiałów niepalnych.
Podział materiałów palnych: trudno zapalne, łatwo zapalne.
Materiały trudno zapalne – mogą się palić tylko w obszarze działania ognia lub źródła ciepła a po ich usunięciu gasną.
Materiały łatwo zapalne – zapalają się płomieniem i palą się dalej po usunięciu źródła ciepła.
Materiały niebezpieczne pożarowo: gazy palne, ciecze palne o temperaturze zapłonu poniżej 55 st. C, materiały wytwarzające w zetknięciu z wodą gazy palne, materiały zapalające się samorzutnie na powietrzu, materiały wybuchowe i pirotechniczne, materiały ulegające samorzutnemu rozkładowi lub polimeryzacji, materiały mające skłonność do samozapalenia.
Wzór E. Oehley’a – wzór empiryczny określający dolną granicę wybuchowości substancji palnych.
Rodzaje materiałów palnych: materiały stałe palne, ciecze palne, gazy palne, pyły palne.
Materiały stałe palne: każdy materiał palny stały, zanim ulegnie zapaleniu musi zostać podgrzany do określonej temperatury, w której następuje wydzielenie się palnych produktów gazowych. Dopiero te wydzielone gazy ulegają zapaleniu pod wpływem zewnętrznego źródła energii bądź ulegają samozapaleniu z przyczyn wewnętrznych.
Ciecze palne: stanowią podstawowe składniki rozpuszczalników, smarów itp. Ciecze palne dzieli się bardziej szczegółowo na klasy niebezpieczeństwa pożarowego, a podstawą podziału jest temperatura zapłonu. Najbardziej niebezpieczne mają temperaturę zapłonu poniżej 0 st. C (aceton, etylina).
Gazy palne: charakteryzują się tym, że w swym składzie chemicznym posiadają wodór i węgiel, na przykład CH4.
Pyły palne: rozdrobnione ciała stałe palne, na przykład: pył węglowy, pył cukru, pył mąki. Pod wpływem działania temperatury powierzchni, na której pył osiadł, lub pod wpływem działania płomienia z pyłu wydzielają się gazy (tzw. części lotne). W mieszaninie z powietrzem zapalają się pod wpływem działania płomienia lub oddziaływania ogrzanej powierzchni. Pyły stykają się łatwo z tlenem atmosferycznym przez co spalanie może następować błyskawicznie przyjmując też łatwo formę spalania wybuchowego.
Obciążenie ogniowe – całkowita energia powstająca podczas spalania materiałów palnych nagromadzonych w tej przestrzeni, wyrażana w MJ/m2.
Odporność ogniowa – długość okresu czasu, w którym ten element w warunkach pożaru może spełniać wyznaczoną mu funkcję. Wyróżnia się klasy odporności ogniowej.
Odporność pożarowa budynku – wartość obciążenia ogniowego wydzielonej w nim strefy pożarowej (wybuchowej). Budynki i budowle dzieli się na pięć klas ze względu na odporność pożarową.
Zapłon materiału palnego może nastąpić na dwa sposoby: przez zapalenie lub samozapalenie.
Zapalenie – lokalne podgrzanie zimnych substratów powyżej temperatury zapłonu. Temperaturę zapłonu paliwa określa się jako temperaturę ośrodka, w której następuje zapłon pary (znajdującej się w równowadze z cieczą lub substancją stałą) lub gazu od źródła zapalenia.
Samozapłon – następuje przy nagrzaniu całej objętości substratów lub nagromadzenie się aktywnych produktów przejściowych reakcji.
Źródła zapłonu: chemiczne, mechaniczne, elektryczne, cieplne.
Źródła chemiczne: front płomieni wybuchu gazów (długi czas oddziaływania i oddziaływanie na dużą objętość substratów), produkty wybuchu materiałów wybuchowych (bardzo krótki czas oddziaływania i na ograniczoną objętość substratów).
Źródła mechaniczne: fala uderzeniowa powstałego wybuchu gazów lub pyłów (skuteczne oddziaływanie w określonym przedziale parametrów wybuchu), fala uderzeniowa powstała po wybuchu MW (nieznaczny czas oddziaływania na substraty, ale znaczną objętość), fala uderzeniowa spowodowana odpadnięciem dużych mas skalnych, betonowych lub metalowych na twarde i równe podłoże (krótki czas oddziaływania, bardzo duża energia rozpraszana)
Źródła elektryczne: łuki elektryczne (krótki czas oddziaływania, duża objętość substratów), iskry elektryczne (krótki czas oddziaływania, oddziałujące na małą objętość substratów).
Źródła cieplne: otwarty płomień wytworzony w różny sposób (względnie nie wysoka temperatura, długi czas oddziaływania na małą objętość substratów), ogrzane powierzchnie o temperaturze poniżej temperatury płomienia (ograniczona powierzchnia oddziaływania, długi czas), iskry mechaniczne (wysoka temperatura, niska energia, oddziałująca na małą objętość substratów).
Parametry oddziaływania źródła zapłonu na środowisko palne i wybuchowe: ilość wydzielanej energii, koncentracja energii, intensywność oddziaływania scharakteryzowana temperaturą, czas oddziaływania na środowisko.
Zasada Arrheniusa – szybkość reakcji utleniania:
Stopień wymieszania paliwa z tlenem: paliwo i utleniacz są wymieszane wstępnie przed reakcją utleniania, mieszanie zachodzi równocześnie z reakcją utleniania.
Piroliza – rozczłonkowanie węglowodorów zawartych w materiale palnym na drobniejsze elementy.
Rozpalanie (faza tlenia) – podtrzymywanie procesu utleniania przez lokalne podgrzewanie.
Okres inkubacji pożaru – faza tlenia przy samozapłonie materiału.
Opóźnienie (indukcja) samozapłonu – spalanie wybuchowe poprzedzone reakcjami chemicznymi.
Opóźnienie zapłonu – spalanie wybuchowe poprzedzone wytworzeniem gorącego obszaru.
Trwałe palenie – występuje, gdy rolę czynnika zapłonu przejmuje ciepło generowane w fazie rozpalania.
Maksymalne wartości temperatury spalania materiałów stałych i ciekłych: 900 – 1500 st. C.
Maksymalne wartości temperatury spalania gazów: 2000 – 3000 st. C.
Dynamika pożaru – charakteryzuje zmienność temperatury.
Backdraft – kula ognia wychodząca z pomieszczenia na zewnątrz, spowodowana paleniu się gazów.
Flashover (rozgorzenie) – nagły rozwój pożaru.
Dym – unoszone przez powietrze cząstki stałe i ciekłe oraz gazy wydzielone z materiału podlegającego pirolizie lub spalaniu.
Współczynnik przetwarzania materiału na dym:
Podstawowe czynniki dymu pożarowego stwarzające zagrożenie: obecność substancji toksycznych w dymie, niedostatek tlenu w dymie, wysoka temperatura dymów, ograniczenie widoczności stwarzane przez dym.
Wskaźnik toksykometryczny (toksymetryczny)
Toksyczne składniki dymu pożarowego: tlenek węgla, dwutlenek węgla, aceton, alkohol metylowy, amoniak, benzen i toluen, chlorowodór, cyjanowodór, formaldehyd, izocjany,
Wartości stężeń głównych składników gazowych w dymach pożarowych po 5 i 30 minutach od chwili powstania pożaru prowadzące do obezwładnienia lub śmierci:
Tlen – gaz bez zapachu, smaku i barwy. Niezwykle aktywny, łączy się z dużą ilością innych gazów, w wodzie rozpuszcza się słabo. Konieczny do oddychania i palenia. Przy 12% tlenu oddychanie jest ograniczone a przy 9% następuje śmierć na skutek anoksemii (głodu tlenowego w płucach).
Tlenek węgla – gaz trujący bez smaku i zapachu. Palny i wybuchowy, nie rozpuszcza się w wodzie. Przy tworzeniu się tlenku węgla i jego spalaniu wydziela się ciepło. Blokuje hemoglobinę, która przenosi tlen do płuc do tkanek – co powoduje głód tlenowy w tkankach (anoksję). Zatrucie tleniem węgla następuje zasadniczo wskutek jego wchłonięcia w płucach. W czasie zatrucia tlenkiem węgla występuje obniżenie potencjału energetycznego tkanek, co z kolei prowadzić może do nieodwracalnych zmian czynnościowych narządów, może przejawiać się w porażeniu niektórych mięśni, zniekształceniu mowy.
Istotne czynniki decydujące o ilości karboksyhemoglobiny we krwi: czas działania CO na organizm, rodzaj wykonywanej pracy (stopień wysiłku fizycznego człowieka).
Dwutlenek węgla – gaz bezbarwny, o słabo kwaśnym smaku i zapachu, bezwodnik kwasu węglowego silnie łączy się z wodą. Trudno miesza się z powietrzem. Wzrost stężenia CO2 w powietrzu do 0,7% jest dla organizmu obojętny, a nawet korzystny, przekroczenie tej wartości powoduje przyśpieszenie wentylacji płuc poprzez częstsze wdechy. Przy 3% oddychanie jest już bardzo wzmożone, przy 4% jest już ciężkie i występują objawy duszności. Stąd mówi się, że CO2 jest gazem duszącym. Przy 6% w powietrzu objawia się ono jeszcze zamroczeniem człowieka, ale przy 10% następuje utrata przytomności i człowiek ulega zatruciu.
Cyjanowodór – HCN – kwas pruski – bezbarwna ciecz o zapachu gorzkich migdałów. Wrze w temperaturze 25 st. C. para jest bezbarwną, lotną substancją. W stanie ciekłym łatwo się zapala. Łączy się z wieloma metalami. W postaci gazu szybko przenika przez błony śluzowe, pęcherzyki płucne i skórę. Cyjanowodór zaliczany jest do bojowych środków trujących. Jego działanie toksyczne polega na wyłączaniu oddychania komórkowego na skutek unieczynnienia enzymów oddechowych.
Wybuchowość gazów zawartych w dymach pożarowych:
Mieszanina prosta – mieszanina lub roztwór z jednym składnikiem palnym.
Mieszanina złożona – mieszanina zawierająca dwa lub więcej składników palnych.
Reguła Le Chateliera – określa granicę wybuchowości mieszanin, według której mieszanina złożona znajduje się na dolnej (górnej) granicy wybuchowości, jeśli każda z mieszanin prostych znajduje się na dolnej (górnej) granicy wybuchowości.
Wzor ten nie bierze pod uwagę efektów nadmiaru gazów obojętnych CO2 i N2 które nie mogą się palić ani podtrzymywać palenia. Dlatego nie jest on dokładny dla mieszanin z wysoką koncentracją gazów obojętnych.
Wzór na bezpieczną zawartość tlenu:Intensywność dymienia zależy od rodzaju palącego się materiału i temperatury palenia.
Współczynnik ekstynkcji świetlnej (prawo Lamberta):
Współczynnik osłabienia kontrastu – zarejestrowany proporcjonalny spadek napięcia w obwodzie fotodiody .
Podział materiałów palnych: Przepływy konwekcyjne – powstają na skutek działania siły wyporu hydrostatycznego. Siły te powodują unoszenie cieplejszych od otoczenia mas powietrza i opadanie zimniejszych. Powodem tworzenia się strumienia konwekcyjnego może być też pożar.
Strumień konwekcyjny charakteryzuje: prędkość dymów w osi strumienia, różnica temperatury między osią strumienia a otoczeniem, energia cieplna unoszona, natężenie przepływu dymów.
Stratyfikacja otoczenia – w strumieniu konwekcyjnym następuje ochłodzenie się gazów pożarowych pod wpływem dołączającego powietrza z otoczenia. Gęstość strumienia rośnie, prędkość strumienia maleje. Jest to więc przeciwnie niż w otoczeniu. Powoduje to, że na pewnej wysokości gęstość strumienia konwekcyjnego wyrównuje się z gęstością powietrza otaczającego. Siła wyporu powyżej tej wysokości ma już znak ujemny. Dym po osiągnięciu pewnej wysokości zaczyna opadać i rozprzestrzenia się poziomo wokół płaszczyzny obojętnej tworząc warstwę równoległą.
Efekt kominowy – zjawisko ruchu powietrza do góry w szybach pionowych. Różnicę ciśnienia spowodowaną efektem kominowym można wyrazić wzorem: Różnica ciśnień spowodowana efektem kominowym: Ciąg (depresja) naturalny – definiuje się jako pracę wykonaną przez 1 m3 powietrza w czasie przepływu przez kopalnie od wlotu do wylotu pod wpływem sił ciężkości Ziemi.
Ciąg (depresja) pożarowa – ciąg naturalny powstały podczas pożaru.
Efekt rowu – brak unoszenia się gazów pożarowych pod sklepienie, lecz kumulowanie się w przestrzeniach, by potem wymieszać się z powietrzem i zapalić gwałtownie.
Pożar podziemny – występowanie w wyrobisku otwartego ognia, tj. żarzącej się lub palącej się otwartym płomieniem substancji, jak również utrzymywanie się w powietrzu kopalnianym dymów lub stężenia tlenku węgla powyżej 26 ppm, jeśli ich przyczyną nie są procesy technologiczne.
Wentylacja kopalni – proces ciągłego doprowadzania z atmosfery do miejsc pracy pod ziemią odpowiedniej ilości powietrza, a po jego wykorzystaniu, polegającym na podtrzymywaniu pożądanego składu chemicznego powietrza, jego parametrów fizycznych i mechanicznych, odprowadzenie tego powietrza wraz z dołączonymi zanieczyszczeniami, ciepłem i parą wodną z powrotem do atmosfery. Celem wentylacji jest więc stworzenie w miejscach pracy takiego stanu powietrza, który zapewnia dobre samopoczucie człowieka, możliwie największą zdolność do pracy oraz bezpieczeństwo zdrowia i życia.
Rejon wentylacyjny – kompleks wyrobisk związanych ze ścianą lub komorą funkcyjną, którego granice ustalane są przede wszystkim z punktu widzenia możliwości lokalizacji powstałego ewentualnie zagrożenia. Bierze się pod uwagę liczbę osób mogących podlegać jednocześnie zagrożeniu, możliwość wykonania zabezpieczeń przed rozprzestrzenianiem się zagrożenia, możliwość użycia środków zwalczania zagrożenia.
Przewietrzanie niezależne – powietrze świeże od szybu wdechowego może dopływać tylko do jednego rejonu wentylacyjnego, a powietrze zużyte odpływając do szybu wydechowego nie przewietrza już innego rejonu. Wszystkie rejony są przewietrzane „równolegle”.
Przeciwdziałania dla powstania zaburzeń kierunków przepływu i wybuchu metanu lub gazów pożarowych: zwiększenie ilości powietrza przepływającego przez rejon zagrożenia pożarowego, ograniczenia ilości powietrza dopływającego do ogniska pożaru, ograniczenie zawartości tlenu w gazach pożarowych przez zastosowanie inertyzacji atmosfery wszelkimi dostępnymi środkami.
Depresja pożaru (ognia) – ...
pitol23