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消防燃烧学chapter46


火灾温度和持续时间是火灾的重要指标,室内温度与 时间变化的关系可用火灾温度曲线来表示。火灾温度曲线 的形状代表火灾发展中实际出现的各种燃烧现象。火灾温 度曲线反映了温度增长的速度和燃烧速度的变化,曲线上 的每一拐点都代表火场上发生的情况,图4-27为木屋的火 灾温度曲线。

第六节 建筑火 小节名 灾的发展
一、建筑火灾的 温度曲线* 温度曲线* 二

、不同阶段建筑 火灾的特点和意义 三、建筑火灾的 发展速度

图4-27 木屋火灾温度曲线 A点升温速度突然改变,燃烧速度降低,起火建筑物 的白烟变为黑烟,说明室内的氧供应不足;B点温度开始 上升,说明建筑物出现开口,外部的空气已经进入建筑物, 能满足燃烧的需要;C点温度猛烈上升,说明建筑物的外 墙被烧穿,通风加强,燃烧加快;

D点升温速度变缓,升温的趋势接近终了,说明建筑物的 开口已经扩大,外墙大部被烧毁,供燃烧的可燃物所剩无 几;E点温度达到最高点,说明屋顶已经被烧穿,燃烧放 热与向环境散热达到暂短平衡;F点温度下降,说明屋顶 塌落,散热量己超过燃烧放出的热,可燃物数量已经不多, 不能继续维持最高温度;G点降温速度接近于零,说明木 柱等构件尚能支撑一段时间,大断面木构件燃烧的放热量 还能维持较低的火灾温度;H点温度迅速下降达到低点, 并较长时间维持在400℃左右,说明木柱倾倒,建筑物已 经全部烧毁,保持火灾温度的仅仅是地上残火。 火灾温度曲线还能反映火灾发展的阶段性。图4-27曲 线中B点之前可看作火灾发展的初起阶段,B—E段为火灾 发展的发展阶段,E点以后火灾温度开始下降,可视为火 灾的熄灭阶段。 另外,利用火灾温度曲线还可以判断燃烧的物质是固 体、液体,还是气体。图4-28曲线上的B点是全面燃烧的 起点,B—B′段为全面点燃的过程,B—C段温度迅速上升, 表明房间内大部分可燃物被点燃,火灾进入全面发展阶段。

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一、建筑火灾的 温度曲线* 温度曲线* 二、不同阶段建筑 火灾的特点和意义 三、建筑火灾的 发展速度

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一、建筑火灾的 温度曲线* 温度曲线* 二、不同阶段建筑 图4-28 火灾温度曲线 固体可燃物燃烧的温升速度比较缓慢,所以火灾温度 曲线比较弯曲;可燃气体和易燃可燃液体蒸气的燃烧速度 快,起火后室内温度迅速达到最高峰,因此在火灾温度曲 线上几乎看不到初起的升温阶段;对于密闭建筑物内固体 物质的燃烧来说,一旦空气供给充足,高温热解可燃气体 会发生爆燃,因此在火灾曲线上会有一个陡升的阶段,火 灾温度曲线中的B—B′段便由B—B″直线来代替。 火灾发展各阶段的持续时间以及标志到达某一阶段的 温度值与燃烧条件密切相关,所以同样的火灾温度曲线也 是没有的。 火灾的特点和意义 三、建筑火灾的 发展速度

为了便于科学研究和制定防火规范,世界各国都依据实验 第六节 建筑火 小节名 结果制定能代表本国一般建筑火灾发展规律的标准温度-时 灾的发展 间曲线。实际上,各国绘制的标准温度-时间曲线形状十分 近似。我国采用国际标准(ISO834)规定的标准火灾温度 一、建筑火灾的 温度曲线* 温度曲线* -时间曲线(见图4-29)。 二、不同阶段建筑 火灾的特点和意义 三、建筑火灾的 发展速度

图4-29 标准火灾温度曲线

标准火灾曲线温升速率表达式为:

T ? T0 = 345 lg( 8t + 1 )

(4-53)

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式中,T0和T分别为实验开始和t时刻的炉温,t为实验时间 (min)。

(一) 火灾初起阶段 1、火灾初起阶段的特点 在火灾初起阶段,起火点的局部温度较高,但室内各点的温 度极不平衡。由于可燃物燃烧性能、分布、通风、散热等 条件的影响,燃烧发展比较缓慢,且燃烧发展不稳定,有 可能形成火灾,也有可能中途自行熄灭。火灾初起阶段的 燃烧面积不大,初起阶段持续时间长短与燃烧条件有很大 关系。 2、火灾初起阶段持续的时间 虽然火灾初起阶段的温度比较低,很少引起研究人员的注 意,但初起阶段火灾温度持续的时间对疏散人员、抢救物 资及保障灭火指战员的人身安全具有重要的意义。初起阶 段持续的时间主要受火源类别、可燃物和建筑材料的燃烧 性能及通风条件的影响。 可燃物和建筑材料的燃烧性能在火灾初起阶段的作用 比较明显,因为在此时燃烧面积小、温度低、燃烧不稳定 的条件下,如火源附近可燃物被烧尽,不燃建筑材料不可 能使火灾蔓延,燃烧就会自行中断。如初始火灾发生在木 板墙脚下或纤维板吊顶下面,则会蔓延成灾。

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因为建筑物中可燃墙和吊顶有较大的燃烧面积,能使火焰 在表面迅速蔓延,放出大量的热,从而助长火势发展,缩 短火灾初起阶段持续时间。 在点火初期,如果火源能量较小,为了形成稳定的燃 烧需要积蓄大量的热,通风散热良好不利于热量积累,会 延缓火灾的发展。当减少通风量,便有利于热量积累,缩 短火灾初起阶段持续的时间。而当用汽油点火时,由于火 源能大,如门窗大开,通风良好,燃烧猛烈,火灾初起阶 段持续的时间就短,反之,如果门窗紧闭,空气供应不足, 燃烧缓慢,火灾初起阶段持续的时间就延长,甚至会出现 自行熄灭现象。 3、火灾初起阶段燃烧的过程 室内火灾由局部起火发展到全面燃烧可能有两种形 式。—种是明火点燃,另一种是密闭空间大量高温可燃气 遇新鲜空气发生的爆燃。明火点燃是指热解的可燃气体流 向起火点被点燃,或是起火点的热烟夹带火星飞落到未燃 区将温度较高的可燃物点燃。

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火灾初起,如果氧气供给不足,燃烧呈阴燃状态,室 内的可燃物均处于无焰燃烧阶段,房间内积聚了温度较高, 浓度较大,数量较多的可燃气体与空气混合的气体混合物, 一旦开启房门或窗玻璃破裂,大量新鲜空气迅速进入,室 内的气体混合物便迅速自燃,形同爆炸,在整个起火房间 内出现熊熊火焰,使室内可燃物全面被点燃,迅速进入火 灾全面发展阶段。 4、火灾初起阶段对防火和灭火的重要意义 建筑材料的燃烧性能对火灾初起阶段影响很大。易燃和不 燃结构建筑物起火后,火灾初起阶段的持续时间有明显差 异。为防火安全,建筑物尽可能不使用可燃建筑材料,或 使用经阻燃处理的建筑材料。 火灾初起是灭火最为有利的时机。在起火的初起阶段, 如果能够被人及早发现,因为燃烧面积小,只需用少量的 水便可把火灭掉,不会发展成灾。为了及早发现起火,并 抓住有利时机及时灭火,在建筑物中最好能够安装火灾自 动报警装置和自动灭火装置。

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(二) 火灾发展阶段 1、火灾发展阶段的特点 室内火灾进入发展阶段后可燃物燃烧猛烈,燃烧处于 稳定期,可燃物的燃烧速度接近定值,火灾温度上升到最 高点。火灾发展阶段时间长短主要取决于可燃物燃烧性能、 可燃物数量和通风条件,而与起火原因无关。实验发现, 火灾发展阶段燃烧的可燃物约为整个火灾过程中烧掉可燃 物总量80%。 2、火灾发展阶段对防火和灭火的重要意义

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一、建筑火灾的 温度曲线 二、不同阶段建筑 火灾的特点和意义* 火灾的特点和意义* 三、建筑火灾的

在火灾发展阶段,室内可燃物被全面点燃,进行稳定 发展速度 燃烧,建筑物构件处于浓烟烈火包围之下,因此建筑结构 的耐火性能显得格外重要,要求人们在建筑设计中,注意 选用耐火性能好,耐火时间长的结构,以便加强防火安全。 为了减少火灾损失,阻止热对流,限制燃烧面积扩大, 建筑物应有必要的防火分隔措施。

(三) 火灾熄灭阶段 1、火灾熄灭阶段的特点 火灾进入熄灭阶段后,室内可供燃烧的物质减少,温度开 始下降。实验发现,室内温度衰减的速度与火灾持续时间 的关系,火灾持续时间越长,其衰减速度越慢。火灾持续 时间在1h以下时,室内火灾温度衰减速度约为12℃/min; 火灾持续时间大于1h,其衰减速度约为8℃/min。 从火灾的整个过程来看,火灾中期的后半段和末期前 的半段温度最高,火势发展最猛,热辐射也最强,使建筑 物遭受破坏的可能性最大,是火灾向周围建筑物蔓延最为 危险的时刻。因此,在火灾熄灭阶段的前期,室内温度仍 为最高温度,火势较猛烈,热辐射较强,对周围建筑物仍 有很大威胁。

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2、火灾熄灭阶段对防火和灭火的重要意义 实际灭火战斗中应注意堵截包围,防止火势蔓延,切 不可疏忽大意,但因可燃物数量已经不多,也不必投入过 多的战斗力量。此外,还应防止建筑构件因经受火焰的高 温作用和灭火射水的冷却作用出现裂缝、下沉、倾斜或倒 塌,要充分保障灭火人员的生命安全。

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(一) 理论推导

对于室内火灾来说,空气供应量由窗口面积决定,窗 口面积越大,空气供给越充分,室内燃烧速度越快,因此, 窗口面积能影响燃烧速度,或者说,可采用改变窗口面积 一、建筑火灾的 的方法达到控制燃烧速度的目的。 温度曲线 由前面知识可知,木材完全燃烧所需最小空气量约为 二、不同阶段建筑 4m3,如果窗口面积正好符合供应4m3/kg的通风量,则室 火灾的特点和意义 内的燃烧一定能顺利发展。反之,如果减少窗口面积,限 制通风量,使之远小于4 m3/kg,则燃烧便会受到控制,无 三、建筑火灾的 法自由发展下去,甚至会出现熄灭。如果窗口的面积扩大 发展速度* 发展速度* 到完全满足室内燃烧所需空气量,燃烧接近露天条件时, 窗口面积对燃烧速度基本无影响。 基于此原理可推导出开口面积和室内燃烧速度的数学 关系式。室内的热烟与室外新鲜空气之间存在密度差,室 内热烟气密度小,由窗口上部流出,室外冷空气由窗口下 部进入室内。冷空气参加燃烧后,体积膨胀,又上浮于吊 顶之下从窗口上部流到室外,出现热对流现象,如图4— 30所示。

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一、建筑火灾的 温度曲线 二、不同阶段建筑 图4-30 起火窗口处压力分布 当窗口面积对燃烧速度有影响时,冷空气流进的速度 可用下式表示: 火灾的特点和意义 三、建筑火灾的 发展速度* 发展速度*

V

/

= aH

/

BV

/ m

(4-54)

式中,V’为空气流进速度;a为流量系数;H’为中性层以下 窗口高度;B为窗口宽度;Vm’为空气流进平均速度。 如果燃烧1kg可燃物所需空气体积为L,则燃烧速度为: / (4-55) aH / BV /

V R= = L

m

L

平均速度Vm’为中性面以下各点速度的平均值,各点速度可 用贝努里公式计算。如果房间内气体密度为ρ1,室外空气 密度为ρo,则空气流进的速度V’近似为:
1 ρ 0 (V ' ) 2 = gh / ( ρ 0 ? ρ 1 ) 2
V' = 2 gh / (ρ 0 ? ρ1 )

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温度曲线

(4-56) 一、建筑火灾的 (4-57) 二、不同阶段建筑 火灾的特点和意义

ρ0
/

V m/ =
代入积分得:
V m/ = 2 3

1 H / ∫ 0 V / dh H /

(4-58) 三、建筑火灾的 发展速度* 发展速度*

2 gH

/

ρ 0 ? ρ1 ρ0

(4-59)

由等式(4-55)和(4-59)得到燃烧速度R与H’BH’1/2的关系, 如果H’与窗洞高度H成正比,则燃烧速度R也与HBH1/2成正 比,从而得到燃烧速度的表达式为:

R = CA

H

(4-60)

式中,A=HB为窗口面积;C为常数,数值在5~6.2之间, 一般取5.5。 由上式可以看出,室内可燃物的数量对燃烧速度没有 影响,燃烧速度由开口面积控制。在开口大小相同的条件 下,燃烧的最大速度相差不大。

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一、建筑火灾的 温度曲线

组合参数AH1/2通常被称为通风因子。通风因子较小时, 二、不同阶段建筑 室内外通风不畅,燃烧区的氧气供给不充分,此时的燃烧 火灾的特点和意义 方式为通风控制;当通风因子足够大的时,室内外通风良 好,此时的室内燃烧与室外开放空间的燃烧已无本质区别, 三、建筑火灾的 此时的燃烧方式为燃料控制。 发展速度* 发展速度* 更进一步研究发现,除了受通风因子影响外,燃烧控 制方式还与通风口位置的高度有很大关系。与通风口的自 身高度不同,通风口位置高度反映出通风口在建筑物立面 所处的位置。一般地,通风口位置的高度定义为从通风口 的中心位置到地面的垂直距离。 (二) 影响因素 1、建筑物的开口面积

从燃烧速度公式R=5.5AH1/2可以看出,开口面积A不变 时,燃烧速度R不受影响,因而开口面积是决定燃烧速度 的主要因素。但需注意的是,开口面积对燃烧速度的控制 作用是有条件的,只有当通过窗口的空气量等于或小于燃 烧所需最小空气量时,燃烧速度才受窗口面A控制。而当 通过窗口的空气量大于燃烧所需最小空气量,空气供给充 足,开口面积对燃烧速度R已经没有影响。 2、可燃物的表面积 燃烧是从可燃物表面开始的,可燃物表面积愈大,燃 烧所需要的氧气愈多。当可燃物的比表面积(表面积与它 本身的体积之比)较大时,燃烧的速度有可能快,燃烧所 需要的氧气量也相对增加。相反,当可燃物可燃物的比表 面积较小时,可燃物与氧接触的表面积小,燃烧的速度不 可能很快,燃烧所需的空气量相对减少。 3、开口面积(或通风因子)与可燃物表面积之比 在开口面积或通风因子相同的条件下,当开口面积或 通风因子与可燃物表面积之比很小时,空气供给情况对燃 烧速度具有决定作用,因此开口面积对燃烧速度有一定的 控制作用。

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而开口面积或当通风因子与可燃物表面积之比较大时,因 燃烧所需空气量小于现有通风量,开口面积对燃烧速度没 有影响。 对一般建筑来说,当可燃物数量在40~100kg/m2时, 开口面积对燃烧速度有一定控制作用。如果在灭火过程中 轻易打开门窗或破拆屋顶,空气供给充足,火势会突然增 大,甚至发生轰燃。因此,在封闭建筑(闷顶、地下室、 无窗建筑物、空调房间或未开启窗户的房间)发生火灾时, 有发生轰燃的危险。 4、确定火灾危险条件的依据 国际上曾流行一种判断火灾危险的标准,认为建筑物 内可燃物多,起火后燃烧一定快,火势一定猛烈。但大量 事实说明,情况并非都如此。后来人们注意通风因子对燃 烧速度的影响后,放弃了这个观念。 应根据燃烧需要的空气量和实际室内空气供给量的比 值来确定火场上是否存在潜在的火灾危险条件。

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如果通过窗门的空气量大于燃烧需要的空气量,燃烧速度 不受窗口面积控制,便不存在潜在的火灾危险,燃烧速度 主要受燃料面积影响;如果窗口面积小,可燃物的比表面 积较大,空气供给不充足,燃烧速度就会受通风条件控制, 则火场上存在发生轰燃的潜在危险。 当已判断起火建筑物内确有发生轰燃的可能性,需要 对起火建筑采取一定的封闭措施,调集灭火力量,集中优 势兵力,采取速战速决的灭火方法,基本步骤和要点如下: 1、向有关人员了解火情,侦察断定起火点位置,确 定主攻方向。 2、按照建筑物的特点,利用门窗或破拆科学选择进 攻入口,切莫急于动手。排烟口宜设在近火点的下风侧, 距吊顶或屋盖下表面高度1m以内。进攻入口需设在进风量 小、排烟不浓的位置,且应尽可能最接起火点的顶部。 3、为防止开门后室内的阴燃变为全面点燃或发生轰 燃,喷雾水枪宜先分散布置,在开启门窗后进行全面冷却。 所需要水枪数应以房间全面发生燃烧来计算。
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