Pożar i Zjawiska Mu Towarzyszące

Bezpośrednie zetknięcie się z pożarem nie jest sytuacją, z którą przeciętny człowiek spotyka się na co dzień. Dla laika wymykający się spod kontroli ogień zawsze będzie nieobliczalnym żywiołem. Taka sytuacja z reguły zaskakuje nagle i niespodziewanie, prowadząc do irracjonalnych, a często chaotycznych zachowań lub paraliżu. Dlatego nawet pobieżna znajomość zjawisk towarzyszących pożarowi, połączona ze świadomością, jak zachować się w takich sytuacjach, może okazać się wiedzą ratującą życie. Dla posiadającego odpowiednie wyszkolenie i doświadczenie zawodowe strażaka, pożar jest dobrze poznanym zjawiskiem fizyko-chemicznym, któremu, dysponując odpowiednim sprzętem, środkami ochrony osobistej i odzieżą ochronną, można stawić czoła i w konsekwencji pokonać go w sposób niewiążący się z nadmiernym ryzykiem. Natomiast dla osoby, która styka się z nim po raz pierwszy, pożar może okazać się przeciwnikiem, który natychmiast i z całą bezwzględnością wykorzysta każdy jej błąd lub zawahanie.

W dziedzinie pożarnictwa obserwuje się dynamiczny rozwój teorii rozwoju pożarów, która dostarcza strażakom coraz lepszych narzędzi zarówno w sferze rozpoznania, jak i działań gaśniczych. Zrozumienie złożoności tego zjawiska jest kluczowe dla efektywnego zapobiegania i zwalczania pożarów.

Podstawy Procesu Spalania

Trójkąt, Czworokąt i Czworościan Spalania

Zrozumienie zjawisk pożarowych rozpoczyna się od poznania podstawowego modelu spalania. Początkowo zwracano uwagę jedynie na trzy elementy procesu spalania, lecz w momencie odkrycia chemicznej strony reakcji spalania i dodania do listy czwartego elementu, pojawił się czworokąt spalania. Tradycyjnie model ten przedstawiano jako trójkąt spalania, ale z uwagi na znaczenie obecności wolnych rodników, koncepcja ewoluowała. W niektórych przypadkach, szczególnie w literaturze anglojęzycznej, pojawia się nawet czworościan (tetrahedron), bryła opisana przez Platona jako symbol ognia.

Elementy trójkąta/czworokąta spalania to: paliwo, utleniacz (najczęściej tlen), temperatura (energia cieplna) oraz łańcuchowa reakcja spalania (wolne rodniki).

Paliwo

Ogólnie można powiedzieć, że paliwem jest wszystko, co nas otacza i ma zdolność spalania. Większość materiałów spala się, jeśli osiągnie odpowiednią temperaturę. Niemal w każdym miejscu, związanym z bytowaniem człowieka, znajduje się materiał palny. Właściwości niektórych z tych materiałów czynią je bardziej niebezpiecznymi pożarowo od innych. Do kluczowych właściwości paliw należą:

• Ciepło spalania: Parametr charakterystyczny dla danej substancji, informujący, ile ciepła wydzieli się z jednostki masy tego materiału przy całkowitym spaleniu. Paliwa pochodzenia organicznego zazwyczaj zawierają mniej potencjalnej energii uwalnianej na drodze spalania niż materiały pochodzenia syntetycznego.
• Inercja termalna (bezwładność cieplna): Właściwość decydująca o szybkości nagrzewania się danego ciała oraz o jego palności (bądź niepalności), opisująca sposób reagowania ciała na zmiany temperatury. Im większa wartość inercji, tym nagrzewanie trwa dłużej, a w niektórych przypadkach zapalenie ciała jest niemożliwe.
• Pojemność cieplna: Mówi, ile ciepła może pochłonąć dane ciało, aby ogrzać się o 1 stopień. Gdy mówimy o pochłonięciu danej ilości ciepła przez jednostkę masy ciała w celu podniesienia temperatury o jedną jednostkę, mamy do czynienia z tzw. ciepłem właściwym, zwanym inaczej „masową właściwą pojemnością cieplną” (J/kg∙K). W warunkach pożaru ciepło dostarczane jest do materiałów na drodze promieniowania.

Wpływ Stopnia Rozdrobnienia Paliwa

Na charakterystykę palną materiałów wpłynie między innymi stopień wymieszania materiału palnego z powietrzem, czyli stopień rozdrobnienia. Na przykład, 10 kg drewna w formie zwartej (belka) trudno jest podpalić niewielkim płomieniem. Taka sama masa drewna pocięta na wykałaczki zapali się łatwo, a spalanie rozwinie się i rozprzestrzeni na cały materiał. Drewno rozdrobnione do postaci pyłu będzie spalać się najszybciej i najintensywniej, łącznie z możliwością powstania wybuchu. Pył drzewny (oraz inne pyły, np. mąka, cukier-puder) ma zdolność wybuchu, tworząc chmurę wybuchową, gdy jest wzbity w powietrze, w przeciwieństwie do leniwego tlenia się w hałdzie.

Utleniacz (Tlen)

Wpływ tlenu na pożar jest oczywisty i wynika wprost z czworokąta spalania. Utleniaczem do reakcji spalania jest tlen, pochodzący z powietrza lub występujący w składzie chemicznym materiału spalającego się. Materiały palne zawierające tlen w swoim składzie chemicznym będą spalać się łatwiej niż te pozbawione tlenu lub zawierające go w niewielkiej ilości.

Podstawowa informacja jest taka, że tlen stanowi około 21% składu chemicznego powietrza. W przypadku atmosfery wzbogaconej w tlen (zawartość powyżej 21%) spalanie będzie przybierać charakter o wiele bardziej dynamiczny. Im wyższe stężenie tlenu, tym intensywniejsze spalanie; w atmosferze bardzo bogatej w tlen (rzędu około 31%) nawet niepalny materiał, jakim jest Nomex®, zacznie się intensywnie spalać. W pożarze mamy jednak częściej do czynienia ze spadkiem stężenia tlenu poniżej wartości właściwej dla powietrza atmosferycznego.

Spalanie Zupełne i Niezupełne, Całkowite i Niecałkowite

O tym, czy spalanie będzie zarówno zupełne, jak i całkowite, decyduje m.in. współczynnik nadmiaru powietrza. Z chemicznego punktu widzenia proces spalania przebiega przez wiele etapów pośrednich, którym towarzyszy zazwyczaj od kilkunastu do nawet kilkuset reakcji pośrednich, zanim otrzymane zostaną produkty końcowe. W warunkach laboratoryjnych węglowodór spalany w tlenie daje trwałe produkty w postaci dwutlenku węgla (gaz niepalny, używany jako środek gaśniczy) i wody (w formie pary wodnej). Jest to reakcja całkowita (spaleniu uległa cała masa substancji) i zupełna (produkty reakcji są trwałe).

Jednak w praktyce spalanie całkowite i zupełne możliwe jest jedynie w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W warunkach zapalenia materiału palnego, przechodzącego później w pożar, zawsze występuje niedobór tlenu do spalania wszystkich cząsteczek paliwa. Dlatego po stronie produktów spalania znajdziemy całą gamę różnorakich substancji, takich jak tlenek węgla (CO). W tym przypadku mamy do czynienia z reakcją niezupełną, ponieważ CO może dalej utleniać się do CO2. Skład chemiczny produktów zależeć będzie od właściwości paliwa, etapu spalania, dopływu powietrza, temperatury procesu oraz wilgotności powietrza.

Zależność Między Tlenem a Ciepłem Pożaru

Związek tlenu z procesem spalania jest bardzo ścisły. Już od 1917 roku wiadomo, że ilość tlenu jest wprost proporcjonalna do ilości ciepła wydzielanego w pożarze. Brytyjski uczony William M. Thornton wyjaśnił, że energia cieplna wyzwalana ze spalania węglowodorów zależy od ilości tlenu dostępnego w procesie, a niezależnie od rodzaju węglowodoru, dana ilość tlenu pozwala na wydzielenie się pewnej, stałej ilości ciepła. Tezę tę potwierdzono w latach 70. w NIST (National Institute of Standards and Technology).

O szybkości dostarczania tlenu do strefy spalania i jego ogólnej ilości zadecyduje dynamika procesu spalania. Temperatura i ciepło to nie to samo - choć niektóre paliwa mają wyższą wartość ciepła spalania, niekoniecznie oznacza to wyższą temperaturę spalania.

Fazy Rozwoju Pożaru i Warunki Pożarowe

Etapy Rozwoju Pożaru Wewnętrznego

Uczestnicy ćwiczeń w komorze ogniowej mają możliwość obserwacji wszystkich istotnych etapów rozwoju pożaru wewnętrznego. Obejmują one: powstanie pożaru w zarodku, jego rozwój, tworzenie się warstwy gorących gazów, powstawanie i obniżanie się płaszczyzny neutralnej, występowanie równowagi termicznej warstw nadciśnienia i podciśnienia, produkcję oraz zachowanie się produktów pirolizy, powiększanie się kolumny konwekcyjnej ognia, pełzanie płomieni po suficie, dynamikę zmian temperatury i promieniowania cieplnego, oraz zachwianie równowagi termicznej i ostatecznie turbulencje w płaszczyźnie neutralnej.

Typy Pożaru w Zależności od Kontroli

W procesie spalania o charakterze pożaru wyróżnia się dwa charakterystyczne stany:

• Pożar kontrolowany przez paliwo (KPP): Na dynamikę spalania wpływa jedynie charakterystyka paliwa (ilość, palność, stopień rozdrobnienia, wzajemne ułożenie, ciepło spalania), a nie dostęp powietrza.
• Pożar kontrolowany przez wentylację (KPW): W miarę powiększania się strefy spalania, ilość dopływającego powietrza staje się niewystarczająca. Dynamika rozwoju pożaru zaczyna być kierowana całkowicie przez ilość dopływającego powietrza. Występujący w tym okresie niedobór tlenu, spowodowany dużym zapotrzebowaniem na ten element, zbliża pożar do momentu wystąpienia zjawiska rozgorzenia.

Wymiana Gazowa w Pożarze

Zagadnienie wymiany gazowej w pożarze i jej wpływu na przebieg pożaru jest kluczowe. Najczęściej spotykane konfiguracje wymiany gazowej obejmują wymianę przez jeden otwór (np. okno) lub przez więcej niż jeden otwór. Przy intensywnym odpływie gazów pożarowych od strefy spalania, obserwuje się burzliwy przebieg wymiany gazowej i widoczne turbulencje płaszczyzny neutralnej, będącej poziomą granicą między strefą zadymienia a strefą wolną od dymu.

Turbulencje w obszarze płaszczyzny neutralnej zwiastują moment zmiany charakteru procesu spalania i na ogół zapowiadają zbliżające się zjawisko rozgorzenia. Strefa zadymienia napiera w dół w wyniku ciągłej produkcji dymu i jego termicznej ekspansji, podczas gdy powietrze napływa z większą dynamiką, podyktowaną rosnącym zapotrzebowaniem na tlen w strefie spalania. Te dwa przeciwstawne przepływy gazów prowadzą walkę o przestrzeń, intensywnie oddziałując na siebie.

Rozpoznawanie Warunków Pożarowych

Jedna z ciekawszych metod rozpoznawania warunków pożarowych to metoda B-SAHF (Building-Smoke-Air Track-Heat-Flame). Obserwacja charakterystycznych zachowań dymu, w tym turbulencji płaszczyzny neutralnej, może służyć jako jedna z oznak pożaru, pomocna w rozpoznaniu warunków pożarowych i fazy pożaru.

Niebezpieczne Zjawiska Towarzyszące Pożarom

Podczas pożaru zachodzą zjawiska szczególnie niebezpieczne dla strażaków, które są niedostatecznie opisane w krajowej literaturze:

• Zapalenie gazów pożarowych: Może być śmiertelnie niebezpieczne. Gazy te powstają w wyniku pirolizy paliwa, a ich zapłon może prowadzić do gwałtownego rozprzestrzeniania się ognia.
• Reakcje wody z metalami: W standardowej temperaturze pożaru (300-1000°C) woda doskonale chłodzi i gasi pożar. Jeśli jednak dostarczymy dużą ilość energii, dochodzi do zerwania wiązań w cząsteczce wody i powstania atomów wodoru i tlenu. W przypadku pożarów metali (grupa pożaru D), gdzie temperatury są bardzo wysokie (3000-5000°C), nie gasi się ich wodą, ponieważ wysoka energia reakcji spalania wystarcza do rozerwania wiązań wody i wytworzenia wybuchowej atmosfery poprzez rozdzielenie się tlenu i wodoru. Powstaje wówczas wybuchowy wodór i tlenki metalu.
• Paradoks wentylacji: Polega na tym, że niedostatecznie kontrolowane usuwanie dymu, mające na celu poprawę warunków wewnętrznych, może prowadzić do zwiększenia intensywności procesu spalania poprzez dostarczenie większej ilości tlenu do strefy pożaru.

Planowany pokaz pirolizy drewna, mający na celu urozmaicenie procesu dydaktycznego, jest pomysłem wartym wdrożenia do praktyki szkoleniowej w Państwowej Straży Pożarnej (PSP). Piroliza to proces rozkładu termicznego materiałów w atmosferze beztlenowej lub z ograniczonym dostępem tlenu, prowadzący do wydzielania się palnych gazów.

Taktyka Działań Gaśniczych i Znaczenie Wiedzy

Teoria rozwoju pożarów dała strażakom bardzo dobre narzędzia tak w sferze rozpoznania, jak i działań gaśniczych. Do najważniejszych z nich należą:

• Techniki operowania prądami gaśniczymi: Obejmują podawanie wody poprzez krótkie i długie pulsowanie (w tym ustawienia wydajności prądownic, ciśnienia roboczego, pożądanego rozmiaru kropelek wody i sposobów jego uzyskania, kąta rozproszenia prądu, kierunków podawania) oraz krótkie strzelanie prądem zwartym. Podawanie niewielkich ilości wody na palenisko w ściśle określony sposób (tzw. ołówkowanie), jak też kontrolowanie dopływu powietrza, daje doskonałe efekty w kontrolowaniu rozwoju pożaru.
• Taktyczna wentylacja: Wykorzystuje wpływ powietrza na proces spalania do kreowania warunków pożarowych. Każda decyzja o wykonaniu dostępu powietrza do strefy spalania jest fundamentalna - powinna być przemyślana, skoordynowana i podana do wiadomości wszystkich strażaków biorących udział w działaniach, jeszcze przed jej wdrożeniem. Nawet tak prosta czynność, jak zamknięcie (przymknięcie) drzwi za strażakami przemieszczającymi się w stronę ogniska pożaru, ogranicza intensywność procesu spalania. Ostatni dzień warsztatów poświęcony był wykorzystaniu wentylacji nadciśnieniowej oraz ogólnemu omówieniu i porównaniu innych rodzajów wentylacji.
• Procedura badania i otwarcia drzwi: Obejmuje przemieszczanie się z nawodnioną linią gaśniczą w stronę ogniska pożaru, częste okresowe chłodzenie strefy podsufitowej oraz badanie jej temperatury, obserwację i rozpoznanie warunków pożarowych, a następnie wycofanie się z linią gaśniczą wraz z zapobiegawczym chłodzeniem strefy podsufitowej.

Podczas wejścia do pomieszczenia zadymionego, pomocnik kontroluje drzwi, a przodownik roty wykonuje krótki strzał prądem rozproszonym o małej wydajności w celu zawieszenia mgły wodnej w górnym obszarze przed drzwiami. Mgła, oprócz schłodzenia powierzchni drzwi, zapobiega też zapłonowi dymu, który może wydobyć się z otwartego pomieszczenia.

Kluczowe znaczenie ma również zrozumienie zachowań strażaków podczas działań i wpływu czynników innych niż wiedza i wyszkolenie na podejmowane przez nich decyzje. W toku kształcenia strażaka PSP, jak również w trakcie działań ratowniczo-gaśniczych, ważne aspekty problematyki pożarów wewnętrznych bywają pomijane. Warto podjąć starania o opracowanie i wydanie odpowiednich publikacji w języku polskim, a także doprowadzić do standaryzacji stanowisk do ćwiczeń i sposobów prowadzenia szkoleń na szczeblu centralnym.

tags: #pozar #i #zjawiska #mu #towarzyszace