DYNAMIKA POŽIARU

TECHNICKÁ UNIVERZITA VO ZVOLENE

Drevárska fakulta

DYNAMIKA POŽIARU

Danica KAČÍKOVÁ

Andrea MAJLINGOVÁ

Dominik ŠPILÁK

Andrej JANKECH

Táto publikácia vznikla vďaka grantovej podpore Kultúrnej a edukačnej grantovej agentúry Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky ako jeden z výstupov riešenia projektu KEGA 001TU Z-4/2020 „Implementácia progresívnych technológií, metód a foriem do vzdelávania v študijnom odbore Bezpečnostné vedy“.

Autori:

prof. RNDr. Danica KAČÍKOVÁ, MSc., PhD.

Technická univerzita vo Zvolene

Drevárska fakulta

Katedra protipožiarnej ochrany

T.G. Masaryka 24, 960 01 Zvolen

doc. Ing. Andrea MAJLINGOVÁ, PhD., MSc.

Technická univerzita vo Zvolene

Drevárska fakulta

Katedra protipožiarnej ochrany

T.G. Masaryka 24, 960 01 Zvolen

Ing. Dominik ŠPILÁK, PhD.

Technická univerzita vo Zvolene

Drevárska fakulta

Katedra protipožiarnej ochrany

T.G. Masaryka 24, 960 01 Zvolen

RNDr. Andrej JANKECH, PhD.

Technická univerzita vo Zvolene

Drevárska fakulta

Katedra matematiky a deskriptívnej geometrie

T.G. Masaryka 24, 960 01 Zvolen

DYNAMIKA POŽIARU

Vysokoškolská učebnica

Recenzenti: doc. Ing. Peter RANTUCH, PhD.

Materiálovotechnologická fakulta STUBA so sídlom v Trnave prof. Ing. Milan ORAVEC, PhD.

Strojnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach doc. Ing. Bc. Linda MAKOVICKÁ OSVALDOVÁ, PhD. Fakulta bezpečnostného inžinierstva, Žilinská univerzita v Žiline

I.vydanie v rozsahu 171 strán, 10,33 AH, 10,57 VH

Forma dokumentu: elektronická (online PDF)

Vydavateľ: Technická univerzita vo Zvolene

Redakčné práce: Vydavateľstvo Technickej univerzity vo Zvolene

Rok vydania: 2022

Design: doc. Ing. Andrea Majlingová, PhD., MSc.

Schválené rektorom Technickej univerzity vo Zvolene dňa 25. 2. 2022 číslo EP 35/2022 ako vysokoškolská učebnica. Za odbornú úroveň tohto vysokoškolského učebného textu zodpovedajú autori a recenzenti. Rukopis neprešiel jazykovou úpravou.

 Technická univerzita vo Zvolene

 prof. RNDr. Danica KAČÍKOVÁ, MSc., PhD. doc. Ing. Andrea MAJLINGOVÁ, PhD., MSc.

Ing. Dominik ŠPILÁK, PhD.

RNDr. Andrej JANKECH, PhD.

ISBN 978-80-228-3344-8

Všetky práva sú vyhradené. Nijaká časť textu ani ilustrácie nemôžu byť použité na ďalšie šírenie akoukoľvek formou bez predchádzajúceho súhlasu autorov alebo vydavateľstva.

TECHNICKÁ UNIVERZITA VO ZVOLENE

Danica KAČÍKOVÁ

Andrea MAJLINGOVÁ

Dominik ŠPILÁK

Andrej

PREDSLOV

Neoddeliteľnou súčasťou protipožiarnej bezpečnosti je predpovedanie dynamiky rozvoja požiaru. Poznatky z oblasti dynamiky požiaru sú dôležitými východiskami pri projektovaní stavieb, riadenej evakuácii, fyzikálnochemickom a matematickom opise interakcií oheň – materiály a oheň – ľudský organizmus.

Pojmom dynamika požiaru sa zvyčajne označuje "podrobné štúdium toho, ako chémia, požiarna veda, materiálová veda a technické disciplíny mechaniky tekutín a prenosu tepla, vzájomne pôsobia a ovplyvňujú priebeh požiaru".

Obsahom dynamiky požiaru je metodológia disciplíny, odvodenie matematických vzťahov na odhad jednotlivých parametrov požiaru a verifikácia ich platnosti. Pracovné postupy vychádzajú z vysvetlenia teórie vzniku a rozvoja požiaru. Na základe všeobecných princípov sú odvodené výpočtové vzťahy parametrov požiaru a uvedené limitujúce podmienky ich platnosti v rôznych situáciách. Posledným krokom je porovnanie výpočtových vzťahov s experimentálnymi podmienkami a výsledkami z rovnakých alebo podobných požiarov.

Najdôležitejšími riešenými otázkami a úlohami dynamiky požiaru sú: fyzikálno-matematický popis požiaru, odhad rýchlosti uvoľňovania energie, predpovedanie výšky plameňov, teploty a vztlaku spalín (pri vnútorných požiaroch teploty hornej horúcej vrstvy a tlakových zmien pri ventilácii), výpočet teploty plynov (dymu), popis prenosu tepla, vznik a pohyb vrstvy zadymenia, množstvo a zloženie produktov horenia. Aplikáciou rovníc zachovania hmotnosti a energie sa získava časová zmena vyššie spomínaných parametrov. Výsledkom sú potom matematické počítačové modely simulácie požiarov.

Obsahom predmetu Dynamika požiaru v rámci vysokoškolského štúdia v študijných programoch študijného odboru Bezpečnostné vedy na Technickej univerzite vo Zvolene je popis a analýza:

- rýchlosti uvoľňovania energie, - výšky a teploty plameňov,

- teploty a vztlaku spalín,

- tlakových a teplotných zmien pri ventilácii,

- produktov horenia,

- počítačových modelov simulácie požiarov, so zameraním hlavne na vnútorné požiare, s rozšírením na požiare nádrží horľavých kvapalín

Z pracovných postupov sa využíva stručné vysvetlenie teórie a uvedenie príkladov, uvedenie

matematických rovníc v súlade so základnými fyzikálnochemickými princípmi, overenie platnosti v rôznych situáciách a porovnanie výpočtov s experimentálnymi výsledkami.

Cieľom predmetu Dynamika rozvoja požiaru je získať teoretické poznatky a zručnosti na popis vzniku, rozvoja, plného rozvinutia a možnosti prerušenia požiaru ako aj ďalších súvisiacich javov prehľadnými fyzikálno-matematickými postupmi. Dôležitými otázkami sú odhady a výpočet množstva a šírenia tepla, dymu a nebezpečných produktov.

Kľúčovým materiálom materiálom pre tvorbu učebnice boli najmä dve anglické publikácie: Bengtson, L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p., a Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p. Poznatky v nich publikované plne zodpovedajú súčasnému stavu poznania v predmetnej oblasti.

Učebnica je určená ako základná študijná literatúra primárne pre študentov Technickej univerzity vo Zvolene študujúcich v I., II. a III. stupni vysokoškolského štúdia v študijnom odbore Bezpečnostné vedy. Predpokladáme, že aj vďaka tomu, že táto učebnica vychádza výhradne v elektronickej forme, sprístupní sa jej obsah širšiemu okruhu záujemcov o naštudovanej predmetnej problematiky.

Je koncipovaná tak, aby bola vhodnou študijnou literatúrou aj pre študentov iných univerzít poskytujúcich vzdelanie v študijnom odbore Bezpečnostné vedy a ďalších záujemcov o štúdium tejto problematiky z radov odbornej i laickej verejnosti.

Učebnica vznikla vďaka finančnej podpore Kultúrnej a edukačnej agentúry Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky ako jeden z výstupov riešenia projektu KEGA č. 001TU Z-4/2020

„Implementácia progresívnych technológií, metód a foriem do vzdelávania v študijnom odbore Bezpečnostné vedy“.

1. REPETITÓRIUM Z TEÓRIE HORENIA

Pre pochopenie podstaty procesov horenia je potrebné uplatňovať komplexný prístup s využitím zákonitostí z odboru hydromechaniky, prenosu tepla a látky a chemickej kinetiky.

V tejto kapitole sú uvedené poznatky, ktoré Vám umožnia pochopiť, čo je chemická reakcia horenia a ako sa podieľa na požiari.

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Opísať procesy zlučovania atómov a tvorby molekúl chemickou interakciou.

 Vysvetliť jednoduché oxidačné reakcie uhlíka, oxidu uhoľnatého alebo síry s kyslíkom.

 Poznať názov a vzorec vybraných organických zlúčenín.

 Opísať proces tepelného rozkladu dreva (pyrolýza).

 Definovať tri skupenské stavy paliva.

 Definovať tri spôsoby prenosu energie pri požiari.

Kľúčové slová: horenie, kondukcia, konvekcia, kvapalina, plyn, požiar, prenos energie, pyrolýza, radiácia, skupenstvo, štvorsten horenia, trojuholník horenia, tuhá látka.

1.1. Repetitórium z chémie horenia

V tejto podkapitole sa tiež uvádzajú niektoré pojmy a termíny, s ktorými sa môžete stretnúť v praxi pri posudzovaní laboratórnych správ alebo pri stretnutiach s odborníkmi.

Horenie je chemická reakcia, pri ktorej sa uvoľňuje teplo.

Aby došlo k požiaru, musia byť splnené nasledovné podmienky:

- Musí byť prítomné horľavé palivo.

- Musí byť k dispozícii dostatočné množstvo oxidačného prostriedku (napríklad vzdušný kyslík).

- Musí sa použiť energia ako určitý prostriedok zapálenia (napr. teplo).

- Palivo a oxidačný prostriedok musia vzájomne reagovať v reťazovej reakcii.

Prvé tri uvedené podmienky sa nazývajú a graficky vyjadrujú ako trojuholník horenia. Dlhé roky sa pojem horenie alebo požiar symbolizoval práve trojuholníkom horenia (palivo, oxidačné činidlo a teplo) Avšak, vzhľadom na skutočnosť, že ak má byť iniciované horenie nepretržité (ustálené), musí byť splnená aj štvrtá podmienka, vznikol koncept založený na štvorstene horenia (obr. 1.1).

Obr. 1.1 Štvorsten horenia

Ten je predstavovaný kyslíkom (oxidačné činidlo) na udržanie horenia, dostatočným teplom na zvýšenie teploty na zapálenie materiálu, palivom (horľavý materiál) a následne exotermickou chemickou reťazovou reakciou. Každá zo štyroch strán štvorstenu horenia potom symbolizuje kyslík, palivo, teplo, a chemickú reťazovú reakciu. Je potrebné si uvedomiť, že odstránenie ktoréhokoľvek zo štyroch prvkov má za následok ukončenie horenia

Tento model, hoci je zjednodušený, je dobrou analógiou teórie hasenia požiaru. Napríklad penový hasiaci prístroj vytvorí okolo horľavých materiálov bariéru a preruší prívod kyslíka (oxidačného činidla), ako aj zníži teplotu. Použitím vody môžeme znížiť teplotu paliva pod bod vznietenia, alebo v prípade požiaru horľavej kvapaliny môže dôjsť k odstráneniu alebo rozptýleniu paliva. Napokon, zasahovať do chemickej reťazovej reakcie je možné "odstraňovaním" voľných radikálov, ktoré zreagujú s radikálmi vzniknutými z halónov alebo halónových alteranatív, použitých ako hasiace látkx V súčasnosti sa halónové hasiece prístroje už nevyrábajú a nahradzované sú práve halónovými alternatívami.

Požiar je sériou následných oxidačných reakcií a ďalších simultánnych chemických reakcií. Za najvýznamnejšie sa považujú oxidačné reakcie prebiehajúce v plameni, kedy sú atómy paliva oxidované a kombinujú sa kyslíkom zo vzduchu.

Na porozumenie procesov prebiehajúcich počas požiaru použijeme príklad jednoduchej oxidácie, ktorá sa vyskytuje pri väčšine požiarov.

Pri oxidácii vodíka, výborného paliva, sa dve dvojatómové molekuly vodíka zlúčia s jednou dvojatómovou molekulou kyslíka a vytvoria dve molekuly vody. Chemická reakcia sa dá jednoducho zapísať ako (1.1):

Keďže voda je stabilnejšia zlúčenina ako plyny, z ktorých vznikla, reakcia prebieha s veľkou intenzitou a za uvoľňovania veľkého množstva tepla, je to exotermická reakcia (produkujúca teplo). Ak sa plyny pred zapálením zmiešajú, dôjde po ich zapálení k prudkému výbuchu. Ak sa zmiešajú v plameni, vznikne veľmi horúci plameň.

Keďže vodík sa nachádza takmer vo všetkých palivách, dokonca aj v makromolekulách, z ktorých sa skladá drevo, plasty a mnohé horľavé kvapaliny, spaľovanie prakticky každého bežného paliva vedie k produkcii veľkého množstva vodnej pary. Táto vodná para niekedy kondenzuje na chladných sklenených oknách horiaceho objektu. Premena chemicky viazaného vodíka v palive na vodnú paru počas požiaru rovnako vedie k produkcii veľkého množstva tepla, aj keď menšieho ako pri spaľovaní čistého vodíka.

Čistý energetický obsah komplexných palív je nižší ako obsah čistého vodíka alebo čistého uhlíka, pretože časť energie sa spotrebuje na rozrušenie chemických väzieb, ktoré spájajú oxidovateľné atómy v ich molekulárnej štruktúre.

Zloženie zlúčenín môže byť reprezentované ich sumárnymi alebo empirickými vzorcami, napr. H2O, CO2 a O2, alebo pomocou štruktúrnych alebo molekulových vzorcov, v ktorých sa na znázornenie používajú čiary reprezentujúce väzbové elektrónové páry. Týmto spôsobom sa voda (H2O) znázorňuje ako

a oxid uhličitý (CO2) ako

Čiary predstavujú väzby medzi vzájomne viazanými atómami prvkov. Jedna čiara jednoduchú väzbu (jeden väzbový elektrónový pár), dve čiary znamenajú dvojitú väzbu, tri čiary znamenajú trojitú väzbu

Významným horľavým prvkom je uhlík (C), ktorý je podobne ako vodík (H) takmer vždy hlavnou zložkou organických palív. Z hľadiska horenia a požiarov je v prípade čistého uhlíka dôležitá jeho kryštalická (alotropická) modifikácia, resp. amorfná forma. Uhlík v kryštalickej modifikácii diamant horí len pri vysokých teplotách a tlakoch. Keď horí čistý grafit, je spotrebovávaný tak pomaly, že sa z neho často vyrábajú vysokoteplotné tégliky. Drevené uhlie a koks sú priemyselné výrobky pozostávajúce z vysokého množstva uhlíka, ale obsahujú aj ďalšie prímesi, často nehorľavé.

Tieto materiály sa nezapaľujú ľahko. Keď sa však zapália, produkujú značné množstvo tepla a spotrebúvajú sa pomaly. Všeobecná chemická rovnica (1.2a, 1,2b), vystihuje úplnú dokonalú oxidáciu uhlíka:

C (tuhá látka) + O2 (plynná látka) → CO2 (plynná látka) (1.2a)

C (s) + O2 (g) → CO2 (g) (1.2b)

Pri požiaroch organických látok prírodného aj syntetického pôvodu vždy vzniká oxid uhličitý (CO2).

Z praktického hľadiska, pri všetkých požiaroch prebieha aj ďalšia reakcia (1.3), ktorá môže byť úplne druhotná alebo sa môže stať primárnou v závislosti od množstva kyslíka, teploty a ďalších podmienok:

2 C (s) + O2 (g) → 2 CO (g) (1.3)

Množstvo vzniknutého oxidu uhoľnatého (CO) je veľmi závislé od podmienok požiaru: je nízke pri voľne horiacich plameňoch, ale vysoké pri požiaroch s nedostatkom kyslíka (nedostatočne odvetraných), alebo pri tlejúcich požiaroch.

Uvedené reakcie 1.1, 1.2 a 1.3 (pri ktorých vzniká H2O, CO2 a CO) vyjadrujú hlavné konečné produkty horenia, ale nedefinujú zložité mechanizmy, ktorými tieto produkty skutočne vznikajú Voda a oxid uhličitý sú hlavnými produktmi takmer všetkých požiarov, pričom oxid uhoľnatý sa v splodinách horenia vyskytuje v nižších koncentráciách. Niektoré palivá, najmä palivá uhoľného alebo ropného pôvodu, sa skladajú takmer výlučne z uhlíka a vodíka a obsahujú len malé množstvo iných prvkov. Možnou výnimkou je síra, ktorá je nečistotou vo väčšine surových palív. Taktiež sa oxiduje, za vzniku oxidu siričitého, podľa reakcie (1.4):

S (s) + O2 → SO2 (1.4)

Oxid siričitý (SO2) je veľmi ostro zapáchajúci plyn, ktorý sa často vyskytuje v okolí hút a iných priemyselných zariadení.

V najčastejších palivách požiarov sa nachádzajú aj ďalšie prvky Nemožno zanedbať prítomnosť dusíka. Dusík ako súčasť palív sa v podmienkach požiarov neoxiduje. Dusík (N2) zo vzduchu (cca 79 obj. %) pri horení palív absorbuje teplo, vypĺňa priestor a ovplyvňuje vytváranie horľavého súboru, ktorý vzniká z palina a oxidačného prostriedku (kyslíka). Dusík ako súčasť nitroskupiny (-NO2), ovplyvňuje dodávanie kyslíka do explozívnych reakcií.

Medzi ďalšie prvky prítomné v prírodných palivách, napr. v dreve patrí sodík, kremík, hliník, vápnik a horčík. Z nich vznikajú príslušné oxidy v tuhom skupenstve, ktoré zostávajú po horení ako biely alebo sivý popol Na samotnom horení sa významne nepodieľajú

Takmer všetky zlúčeniny obsahujúce uhlík skúma organická chémia. Väčšina dôležitých palív, ktoré horia pri vnútorných požiaroch ale aj požiaroch prírodného prostredia, sú organické zlúčeniny. Pre nás sú najvýznamnejšími organickými zlúčeninami uhľovodíky a sacharidy, o ktorých pojednávame ďalej.

Zlúčenín, ktoré tvoria kvalitné palivá, je veľa, ale patria do relatívne malého počtu tried. Prvou triedou sú uhľovodíky, zlúčeniny zložené výlučne z uhlíka a vodíka. Delia sa podľa rôznych kritérií. Jedným z nich je prítomnosť jednoduchých (alkány, všeobecný vzorec CnH2n+2) alebo násobných väzieb medzi atómami uhlíka v ich molekule (dvojitá väzba v alkénoch, všeobecný vzorec CnH2n, alebo trojitá väzba v alkínoch

všeobecný vzorec CnH2n-2) Najjednoduchším uhľovodíkom je metán (CH4), ktorý je hlavnou zložkou prírodného zemného plynu:

Zo vzorca vyplýva dôležitá skutočnosť, že uhlík je v organických zlúčeninách štvorväzbový. Vodík je vo všetkých zlúčeninách jednoväzbový Úplným zhorením metánu vzniká CO2 a H2O ako konečné produkty horenia, ale aj táto zdanlivo jednoduchá reakcia prechádza mnohými čiastkovými reakciami. Horenie metánu v kyslíku zahŕňa približne 100 takýchto jednoduchých reakcií. Dochádza k odštiepovaniu atómov vodíka a následne rôzne rekombinácie medziproduktov, pri ktorých v plameni vznikajú etén a acetylén, ako aj nestabilné radikály s jedným alebo dvoma nespárenými elektrónmi s vysokou energiou, ako sú ·OH, ·CH2O, a ·CHO.

Tieto nestabilné formy sa nazývajú voľné radikály. Čím je molekula zložitejšia, tým je väčšia rozmanitosť voľných radikálov, ktoré vznikajú. Pri horení uhľovodíkov sa voľné radikály ·CHO a ·OH (ako aj ·CO) spájajú s molekulami O2 a H2 za vzniku H2O a CO2. Voľné radikály môžu existovať len pri relatívne vysokých teplotách, ale pri ochladzovaní môžu kondenzovať a vytvárať produkty pyrolýzy, ako je hnedý decht alebo olejové zvyšky, ktoré môžu pokrývať pevné povrchy po požiari.

Okrem toho je uhlík do istej miery jedinečný v tom, že jeho atómy majú veľmi silnú schopnosť sa navzájom spájať do reťazcov, cyklov a iných zložitých štruktúr. Túto schopnosť vytvárať reťazce možno ilustrovať na zlúčenine bután, ktorý má vzorec je C4H10 Zápis jeho štruktúry je nasledovný:

Tieto zlúčeniny s lineárnym reťazcom možno predlžovať takmer donekonečna. Nazývajú sa normálne uhľovodíky alebo n-alkány. Uhľovodíkové reťazce sa môžu rozvetvovať, čím sa vytvárajú zložitejšie štruktúry bez pridania iných prvkov ako uhlíka a vodíka. Pretože existuje veľa možností umiestnenia takéhoto vetvenia, môže vzniknúť veľké množstvo rôznych zlúčenín. ktoré majú rovnaký empirický (sumárny) vzorec, ale odlišnú štruktúru. Napríklad zlúčenina izobután má rovnaký empirický vzorec ako bután, ale inú štruktúru:

Predpona izo- tu označuje rozvetvenú štruktúru. Dĺžku reťazca aj miesto vetvenia možno meniť takmer neobmedzene, takže existuje obrovské množstvo možných zlúčenín. Všetky tieto zlúčeniny sa nazývajú alifatické (parafíny medzi atómami uhlíka nemajú násobné väzby) a sú pomenované podľa počtu atómov uhlíka v najdlhšom uhlíkovom reťazci v molekule.

To, že všetky doteraz spomenuté alifatické zlúčeniny sú nasýtené (nemajú dvojité väzby), neznamená, že všetky alifatické zlúčeniny patria do tejto kategórie. Napríklad medzi nenasýtené uhľovodíky patrí plyn etén (C2H4), má nasledovný štruktúrny vzorec:

Zatiaľ čo, štruktúrny vzorec propénu (C3H6) je nasledovný:

Ďalšia skupina nenasýtených uhľovodíkov obsahuje trojité väzby medzi susednými uhlíkmi. Takéto zlúčeniny sa zvyčajne označujú príponou -ín, ako napríklad 1-pentín (1 označuje atóm uhlíka, z ktorého vychádza trojitá väzba):

Jedným z uhľovodíkov s trojitou väzbou je etín (C2H2) známejší pod triviálnym názvom acetylén:

Ďalšia trieda uhľovodíkov, ktorá sa bežne vyskytuje v palivách, má kruhy zložené z piatich, šestich

alebo siedmych uhlíkov, viazaných jednoduchými väzbami Nazývajú sa cykloparafíny, príkladom je cyklohexán (C6H12):

Ďalšia dôležitá trieda uhľovodíkov sú aromatické uhľovodíky. Ich názov je odvodený od výraznej vône (zápachu). Najjednoduchší z nich má šesťčlenný kruh z atómov uhlíka ako súčasť svojej štruktúry. Najjednoduchšou takouto zlúčeninou je benzén (C6H6):

Medzi uhlíkmi v benzénovom kruhu sa striedajú dvojité a jednoduché väzby. Jeden alebo viac atómov vodíka kruhovej zlúčeniny môže byť nahradený ľubovoľným počtom jednoväzbových chemických štruktúr, z ktorých niektoré môžu byť veľmi veľké a zložité. Najjednoduchší zo substituovaných zlúčením benzénu je toluén (C7H8) so štruktúrnym vzorcom:

Všetky uhľovodíky sú dobrými palivami, ale len veľmi málo z nich sa používa komerčne vo forme čistých zlúčenín. V skutočnosti je veľmi nákladné izolovať akúkoľvek zlúčeninu z ropy alebo dechtu v čistom stave. Prakticky všetky komerčné palivá súvisiace s požiarmi sú zmesi relatívne veľkého počtu jednotlivých zlúčenín, ale s dostatočne podobnou chemickou štruktúrou, takže ich správanie pri horení môže byť dosť podobné.

Ropné produkty sa najprv od seba oddelia frakčnou destiláciou, zahrievaním surovej ropy a zachytávaním pár vznikajúcich pri rôznych teplotách. Takéto produkty sa označujú ako ropné destiláty. Každá z týchto frakcií alebo častí bude obsahovať zmes všetkých zlúčenín, ktoré sa splynia medzi dvoma stanovenými teplotami. Napríklad ropný éter je časť destilátov, ktoré vznikajú pri teplotách medzi 35 °C a 60 °C, zatiaľ čo petrolej obsahuje tie, ktoré vznikajú pri teplotách medzi 150 °C a 300 °C. Väčšina zlúčenín nachádzajúcich sa v týchto dvoch frakciách sú alifatické lineárne (normálne) alebo rozvetvené uhľovodíky a väčšina z nich je nasýtených - to znamená alkánov. Prítomné sú aj niektoré aromatické zlúčeniny.

Cykloparafíny a aromatické uhľovodíky majú lepšie vlastnosti ako motorové palivá a ich podiel sa zvyšuje chemickým spracovaním ropy takými procesmi, ako krakovanie a reformovanie Potom sa miešajú s rôznymi destilátmi na palivá, napr. na benzíny s požadovanými spaľovacími vlastnosťami. Benzín nie je skutočný ropný destilát, ale skôr zmes, ktorá zvyčajne vzniká v rozsahu teplôt od 40 °C do 190 °C. Keďže všetky tieto bežné ropné produkty sú zložité zmesi uhľovodíkov, nie všetky ich zložky sa odparujú alebo horia rovnakou rýchlosťou. Ich odparovanie sa začína najľahšími a najprchavejšími zlúčeninami a so stúpajúcou teplotou spravidla postupuje k ťažším zlúčeninám (ropné produkty, ktoré prešli takýmto postupným čiastočným odparovaním, sa niekedy nazývajú "zvetrané").

Pri horení má tento proces rovnaký priebeh, ale prebieha oveľa rýchlejšie, pretože sálanie plameňov spôsobuje zvyšovanie teploty kvapalného paliva. V dôsledku toho majú zvyšky čiastočne vyhorených ropných produktov, ktoré sa nachádzajú na požiarisku, iné chemické a fyzikálne vlastnosti (tlak pár, bod vzplanutia, špecifická hmotnosť, viskozita atď.) ako pôvodné palivo. Zároveň je horľavosť nespáleného paliva z veľkej časti daná ľahšími, ľahšie sa odparujúcimi zložkami zmesi. Napríklad benzíny zimnej zmesi môžu obsahovať 6 až 10 % hmotnosti metylbutánu a 5 až 6 % hmotnosti n-pentánu, zatiaľ čo benzíny letnej zmesi môžu obsahovať 4 až 8 % hmotnosti metylbutánu a 4 až 5 % hmotnosti n-pentánu, aby sa zachovali rovnaké objemové vlastnosti tlaku pár a bodu vzplanutia pri veľmi rozdielnych teplotách.

Uhľovodíky s počtom vzájomne viazaných atómov uhlíka v počte viac ako C24 sa nazývajú vosky. Vo všeobecnosti platí, že čím dlhší je reťazec, tým má zlúčenina vyššiu teplotu topenia a varu. Zmesi rôznych uhľovodíkov s vysokým bodom varu sa vyskytujú napr. vo forme vazelíny alebo parafínu. Najťažšie uhľovodíky (s najdlhším reťazcom) sa nachádzajú v asfalte.

Mnohé ropné produkty, ktoré sa používajú v rôznych spotrebných a priemyselných výrobkoch a môžu sa nachádzať v priestore požiaru, nie sú pravými ropnými destilátmi Takýmito sú zmesi izoparafínov (s rozvetveným uhľovodíkovým reťazcom), ktoré majú dobré rozpúšťacie vlastnosti. Používajú sa v

insekticídnych rozpúšťadlách, čistiacich prostriedkoch na ruky, olejoch do lámp a ako palivo do niektorých zapaľovačov.

Pravdepodobne najdôležitejší typ organických zlúčenín, ktorých sa týka štúdium procesov horenia, patria do skupiny sacharidov (cukrov) Molekuly sacharidov vytvárajú zložité makromolekuly. Niektoré z nich tvoria väčšinu hmoty dreva, ktoré je najbežnejším palivom pri požiaroch v drevostavbách a stavbách. Proces horenia dreva je len dokončením oxidácie, ktorá sa začala prirodzenou syntézou samotného paliva.

Sacharidy obsahujú pomerne vysoký obsah kyslíka, to znamená, že sú už čiastočne oxidované. V molekulách obsahujú uhlík, vodík a kyslík v násobkoch jednoduchého vzorca:

CH2O

Najjednoduchší sacharid má vzorec: C6H12O6

Čo je empirický vzorec viacerých monosacharidov, z ktorých najbežnejšie sú glukóza (alebo dextróza) a fruktóza. Celulóza, hlavná zložka dreva, sa skladá z mnohých jednotiek glukózy, ktoré sú navzájom spojené do reťazcov. Pretože celulóza je jednoducho nekonečnou replikáciou jednotiek glukózy (prírodný polymér), hlavná reakcia, ktorá nastáva pri horení celulózy (1.6), je rovnaká ako pri horení glukózy (1.5):

Obvykle sa, podobne ako pri iných palivách, nie všetok uhlík oxiduje na oxid uhličitý. Pri väčšine požiarov je k dispozícii menej kyslíka a namiesto oxidu uhličitého (CO2) vzniká určité množstvo oxidu uhoľnatého (CO). Pôvodne prítomný vodík nie je tak účinným palivom ako v prípade uhľovodíkov, pretože už bol čiastočne zoxidovaný pri tvorbe pôvodnej molekuly. Táto čiastočná oxidácia čiastočne vysvetľuje skutočnosť, že požiare dreva nedosahujú vysoký tepelný výkon tak ľahko, ako mnohé iné palivá.

Pri niektorých požiaroch sú významným palivom tuky. Či už ide o rastlinné oleje (napr repkový alebo ľanový) alebo živočíšne tuky, s charakteristickou molekulovou štruktúrou, ktorá spočíva v tom, že na jednom konci majú priamy alebo rozvetvený reťazec uhľovodíkov a na druhom COOH skupiny, a sú substituované na glycerolovú kostru, viď glycerol alebo glycerín (C3H8O3):

alebo kyselinu linolovú (C18H32O2):

Množstvo tepla, ktoré vznikne úplnou dokonalou oxidáciou paliva sa nazýva spaľovacie teplo a vyjadruje sa ako počet joulov (J) tepla uvoľneného z jedného kilogramu (kg) paliva. Spaľovacie teplo je prostriedok na odhadnutie, koľko celkového tepla môže dané množstvo paliva vyprodukovať; nie je to miera rýchlosti, akou sa teplo môže uvoľniť, ani teplota plameňa, ktorú palivo vytvorí. Spaľovacie teplá sa porovnávajú za štandardných podmienok, pri teplote 25°C. Vzniknutá voda je v tomto prípade v kvapalnom stave. Horenie prebieha pri vyšších teplotách. Preto ak od spaľovacieho tepla odčítame výparné teplo vody vynásobené jej množstvom, získame výhrevnosť.

Spaľovacie teplo sa meria pomocou kalorimetrických metód. Spaľovacie teplo sa vyjadruje symbolom ΔHc, kde Δ (delta) predstavuje zmenu, H predstavuje teplo uvoľnené pri konštantnom tlaku (entalpiu) a index c označuje horenie

Ostatné zložky dreva, ako napríklad živice, majú nielen vyššie spaľovacie teplo ako celulóza, ale ich chemické zloženie spôsobuje vyššiu teplotu plameňa. Preto dreviny obsahujúce živicu (ako napríklad borovica alebo jedľa) majú vyššiu pravdepodobnosť vzniku vysokých teplôt pri požiari ako dreviny bez živíc, ako je dub alebo buk

S výnimkou najjednoduchších uhľovodíkových palív, ktoré sa musia iba odparovať, aby vznikli molekuly dostatočne jednoduché na to, aby sa priamo zlúčili s kyslíkom v plameni, majú všetky ostatné palivá zložité molekuly, ktoré sa musia rozdeliť (rozštiepiť), aby mohli horieť.

Primárnym účinkom tepla na drevo alebo iné pevné palivo je jeho rozklad alebo pyrolýza. Slovo pyrolýza pochádza z gréckych slov pyro (čo znamená oheň) a lysis (čo znamená rozkladať). Preto možno pyrolýzu definovať ako rozklad materiálu vyvolaný teplom na jednoduchšie zlúčeniny. Pyrolýzou dreva vznikajú napríklad:

- horľavé plyny, ako je metán;

- prchavé kvapaliny ako metanol (metylalkohol) vo forme výparov; horľavé oleje a živice, ktoré môžu byť vo forme výparov, teda vo svojej pôvodnej forme, alebo pyrolyzované zo zložitejších štruktúr;

- veľké množstvo vodnej pary;

- zostáva zuhoľnatený zvyšok, ktorým je predovšetkým uhlík alebo drevené uhlie.

Vzniknuté plyny a pary sa rozptyľujú do okolitého vzduchu a horia formou plameňového horenia. Drevené uhlie pri horení má vyšší tepelným výkonom v pomere k svojej hmotnosti ako pôvodné drevo, pretože kyslík, ktorý k horeniu neprispieva, z veľkej časti vytvoril vodu. Uhlík potom priamo reaguje s kyslíkom vo vzduchu, ktorý je s ním v kontakte a podporuje žeravenie.

1.2. Skupenské stavy paliva

Tuhé látky, kvapaliny a plyny sú tri skupenské stavy hmoty. Stav, v ktorom sa palivo nachádza, súvisí s jeho ďalšími vlastnosťami pri horení.

Tuhá látka je látka, ktorej molekuly sú navzájom udržiavané v pevnej trojrozmernej štruktúre pomocou molekulárnych síl. Tuhá látka má preto stály objem a tvar.

Niektoré tuhé palivá (napríklad vosk, parafín zo sviečok) sa roztavia na kvapalinu (ktorá sa potom vyparí a vytvorí paru). Niektoré pevné látky (napr. naftalén) sa premieňajú priamo do stavu pary (proces sa nazýva sublimácia). Mnohé pevné látky (napr. drevo) sa neroztavia, ale sa rozkladajú pyrolýzou.

Tuhé látky môžu horieť priamym spojením kyslíka s ich povrchom (tlenie), alebo prostredníctvom pyrolýzy vytvárajú horľavé plyny a pary, ktoré reagujú s kyslíkom. Po horení môžu zanechávať nehorľavý pevný zvyšok. Reaktívne kovy (horčík, sodík, draslík) alebo fosfor a palivá na báze uhlíka, ako napríklad drevené uhlie, horia len na svojom povrchu, tzv. žeravejú. Tuhé látky, ktoré nepodliehajú pyrolýze, nemajú bod vzplanutia v pravom slova zmysle, ani hustotu pár ani konštantnú teplotu vznietenia. Po dezintegrácii na jemné čiastočky a vytvorení horľavej aerodisperzie (premiešaní so vzduchom) majú dolnú a hornú medzu vznietenia.

Fyzikálne vlastnosti, ktoré významným spôsobom súvisia s horľavosťou tuhých látok sú: hustota, vodivosť a tepelná kapacita. Horľavosť ovplyvňuje aj ich pórovitosť a teplota topenia. Okrem toho chemické vlastnosti tuhého paliva určujú povahu prchavých produktov pyrolýzy a rýchlosť ich vzniku.

Kvapalina má voľnejšie usporiadanie molekúl, ktoré umožňuje molekulám pohybovať sa, ale nemôžu uniknúť zo vzájomného silového pôsobenia. Kvapalina teda nemá stály trojrozmerný tvar, ale zachováva si stály objem.

Benzín, rovnako ako každé iné kvapalné palivo, nehorí v kvapalnom stave. Kvapaliny sa však ľahko odparujú a vzniknuté pary horia ako akýkoľvek iný plyn zmiešaním s kyslíkom a plameňovým horením

Keďže molekulárne sily v kvapalinách zvyčajne nie sú také silné ako v pevných látkach, na rozbitie týchto väzieb v kvapalinách v porovnaní s pevnými látkami je potrebné menej tepla.

Medzi molekulami plynu pôsobia len veľmi slabé sily, pretože molekuly sú vo všeobecnosti veľmi ďaleko od seba (v závislosti od teploty a tlaku). Preto plyn sa rozpína tak, aby vyplnil akýkoľvek dostupný objem, a vo vzduchu sa (viac-menej) voľne rozptyľuje. Vo všeobecnosti existuje relatívne málo plynných

palív pri štandardnej teplote. Mnohé materiály sa však menia na plyny pri teplotách, ktoré sa vyskytujú pri požiari. A prakticky všetky materiály sa môžu premeniť na plyny použitím dostatočne vysokých teplôt.

Klasifikácia palív do skupenských stavov kvapalín, pevných látok a plynov nie je absolútna. Sú do značnej miery zameniteľné a premena jedného stavu na druhý je funkciou teplôt a tlakov, ktoré existujú počas konkrétneho požiaru. Zmena fyzikálneho stavu (napríklad z tekutej formy na jemne rozptýlený aerosól pri úniku hydraulickej kvapaliny pod vysokým tlakom) môže dramaticky zmeniť zapáliteľnosť paliva a veľkosť vzniknutého požiaru. Fyzikálny stav paliva vo všeobecnosti v mnohých ohľadoch ovplyvňuje zapáliteľnosť paliva, rýchlosť jeho horenia po zapálení a množstvo a povahu vznikajúcich produktov horenia.

Tuhé palivá nie vždy horia ako tuhé látky, existuje niekoľko výnimiek. Keď horí tuhé palivo, časť jeho povrchu môže tlieť, dokonca žeravieť, avšak nežeravé tuhé palivo môže byť obklopené plameňmi a vtedy hovoríme, že horí. Nie je to celkom pravda, pretože plamene sú výsledkom spaľovania plyn – plyn, takže sú to plynné produkty pyrolýzy, ktoré sa miešajú so vzduchom a vytvárajú plamene, a nie tuhé palivo. Fáza tlenia nasleduje spravidla vtedy, keď sa tepelný rozklad tuhého paliva spomalí do takej miery, že sa k horúcemu povrchu tuhého paliva môže dostať určitá časť kyslíka. (Veľmi porézne tuhé palivá môžu umožniť aj difúziu cez palivo.) Ak je povrch dostatočne horúci, môže dôjsť k interakcii plynu s tuhou látkou, ktorú pozorujeme ako žeravenie. Pri požiari dreva turbulencia plameňov alebo prítomnosť silného prievanu často umožňuje, aby sa žeravenie a plameňové horenie vyskytlo súčasne na tom istom kuse paliva. Veľmi jemne dispergované tuhé palivá (napríklad drevný prach) môžu horieť veľmi rýchlo, dokonca môže dôjsť až k vzniku explózie, pretože malý objem jednotlivých častíc umožňuje rýchle zahrievanie a rozklad na horľavé produkty, a veľký povrch umožňuje rýchle premiešanie s okolitým vzduchom.

Výpary z kvapalín možno považovať za palivo, ktoré priamo horí plameňom nad kvapalným palivom.

Pre rovnováhu kvapaliny a jej pár je dôležitý tlak nasýtených pár, bod vzplanutia a v menšej miere aj bod varu. Teplota vznietenia, medze vznietenia zmesí pár a vzduchu a hustota pár sú kritické vlastnosti samotných pár. Samotné kvapaliny nepodliehajú horeniu, až na výnimočné prípady [1]. Namiesto toho sa môžu zapáliť a horieť plameňom práve pary nad povrchom kvapaliny

Palivo nachádzajúce sa v plynnej forme horí vždy, keď sa zmieša s potrebným množstvom vzduchu po iniciácii. Teplota vzplanutia nemá pri týchto látkach žiadny vplyv, keďže ani bod varu. Avšak rozsah horľavosti zmesi so vzduchom, resp. hustota pár, energia vznietenia a teplota sú dôležité vlastnosti.

Medzi uhľovodíkmi je množstvo materiálov, ktoré sa ťažko klasifikujú ako plyny alebo kvapaliny.

Napríklad propán a bután, môžu pri bežnej teplote a tlaku krátkodobo existovať v oboch stavoch. Keďže sú veľmi prchavé, ľahko sa vyparujú a nezostáva po nich žiadny kvapalný zvyšok. Propán s bodom varu

-42 °C sa vyparuje oveľa rýchlejšie ako bután, ktorý má vyššiu molekulovú hmotnosť (dlhší uhlíkový reťazec) a má vyšší bod varu (-0,6 °C).

Vodík, metán, etán, propán a acetylén sú najbežnejšie plynné palivá. Pri vysokých teplotách a nízkych

tlakoch sa riadia (zvyčajne) zákonom ideálneho plynu, ktorý dáva do súvislosti množstvo plynu s jeho

tlakom, objemom a teplotou.

Rovnica (1.7) vyjadrujúca zákon ideálneho plynu:

p∙V = n∙R∙T (1.7)

kde:

p – tlak (Pa)

V – objem (m3)

n – látkové množstvo plynu (mol)

T – absolútna teplota (K)

R – univerzálna plynová konštanta (8,314 J·K-1 mol-1)

Zvyšovanie teploty vedie k zväčšeniu objemu, v prípade, že je tlak konštantný. Alebo dochádza

k zvyšovaniu tlaku pri konštantnom objeme. Práve rozpínanie plynov (alebo kvapalín) spôsobené teplom je príčinou vztlaku. Rovnaký počet molekúl zaberajúcich väčší objem vytvára nižšiu hustotu.

Ak sa množstvo prítomného plynu meria v moloch (hmotnosť jedného molu látky sa rovná jeho relatívnej molekulovej hmotnosti v gramoch) a vždy obsahuje rovnaký počet molekúl (Avogadrova konštanta, 6,023 1023 mol-1), potom 1 mol kyslíka (O2) má hmotnosť 32 g a 1 mol butánu (C4H10) má hmotnosť 58 g. Pri normálnej teplote a tlaku (0 °C, 101,325 kPa), 1 mol plynu vždy zaberá objem 22,4 l (litrov).

1.3. Prenos energie pri požiari

V prípade rozvoja požiaru sa stretávame v závislosti od materiálových vlastností prostredia a fázy požiaru s tromi mechanizmami (radiácia, konvekcia, kondukcia) prenosu energie (obr. 1.1)

Radiácia (vyžarovanie/sálanie energie) – prenáša teplo prostredníctvom elektromagnetických vĺn vo vzduchu aj vo vákuu. Teplo sa šíri všetkými smermi, kým nedosiahne objekt, ktorý ho absorbuje.

Sálaním sa môže požiar šíriť z budovy na budovu a zapáliť horľavé materiály v okolí. Môže tiež preniknúť cez okná a dostať sa do interiéru susedných budov

Prenos tepla sálaním zohráva najdôležitejšiu úlohu pri rozvoji a šírení požiaru, najmä pri väčších požiaroch. Sálanie napomáha šíreniu požiaru po povrchu, podporuje vznietenie ďalších palív Všetky objekty s teplotou nad absolútnou nulou (0 K, 273,15 °C) vyžarujú energiu vo forme elektromagnetickej (tepelnej) energie. Vyžiarená tepelná energia sa môže preniesť na iné teleso bez toho, aby došlo ku kontaktu týchto telies alebo cirkulujúceho média. Radiácia (žiarenie) zohráva rozhodujúcu úlohu v šírení požiaru v neskoršej fáze jeho rozvoja. Pri nízkych teplotách má toto žiarenie výlučne formu infračerveného žiarenia. Pri teplotách nad 500 °C sa časť žiarenia nachádza vo viditeľnej časti spektra a vnímaná farba závisí od teploty telesa.

Infračervené žiarenie sa správa presne tak ako viditeľné svetlo, ale s tým rozdielom, že nie je vnímateľné voľným okom. Infračervené žiarenie zo Slnka je hlavným zdrojom tepla na Zemi. Len čo je Slnko viditeľné, teplo, ktoré vyžaruje, je možné cítiť, podobne ako pozorovateľ cíti vyžarované teplo z otvoreného ohňa. Takéto teplo je cítiť, pretože je absorbované telom a absorpcia tepla je za týchto

okolností väčšia ako vyžarovanie tepla telom. Rovnakým spôsobom sa človek v chladnom prostredí ochladzuje, pretože jeho telo vyžaruje teplo rýchlejšie, ako prijíma teplo z prostredia. V prostredí, kde má všetko rovnakú teplotu, všetky objekty vyžarujú aj absorbujú sálavé teplo rovnakou rýchlosťou. Výsledkom je, že sa teplota nemení.

Konvekcia (prúdenie energie) – najnebezpečnejší spôsob šírenia požiaru v objekte.

Konvekcia môže byť definovaná ako distribúcia tepla pomocou cirkulujúceho média alebo prenos tepla do alebo z pohybujúceho sa média. Ako taká sa vyskytuje v plynoch a kvapalinách, ale samozrejme nie v pevných látkach. Konvekcia je však zodpovedná za prenos tepla z pevných látok do kvapalín alebo plynov (a naopak) konvekčným prenosom tepla. Pri väčšine požiarov je poháňaná rozdielmi v hustote spôsobenými zmenami teploty (vztlakové prúdy). Takéto vztlakové prúdy sa zvyčajne označujú ako konvektívne alebo konvekčné prúdy. Pri požiaroch sa pohybujú masy horúcich látok s plynnými produktmi horenia spolu s okolitým vzduchom, ktorý sa tiež zahrieva. Tieto látky sa rozpínajú, stávajú sa ľahšími a rýchlo sa pohybujú smerom nahor, čo zodpovedá za väčšinu šírenia tepla pri normálnom požiari. Do značnej miery určuje aj základné vlastnosti dymu, pokiaľ ide o jeho pohyb, šírenie a napokon aj jeho zloženie.

Pri požiaroch v uzavretom priestore, ako je napríklad kancelária, strop zabráni ďalšiemu vzostupnému prenosu tepla dymom. Teplo sa potom šíri dymom horizontálne a požiar sa rozširuje po celom priestore. Horľavé látky a predmety v miestnosti sa môžu rýchlo vznietiť a celá miestnosť môže byť zachvátená

požiarom v priebehu niekoľkých minút. Je najčastejšou príčinou šírenia požiaru v obytných a výrobných objektoch

Pri veľmi veľkých požiaroch, najmä vo vonkajšom prostredí, môže byť pohyb horúcich plynov smerom nahor taký rýchly, že prispieva k vzniku tzv. ohňovej búrky. V takýchto prípadoch vztlakový prúd vynáša masy horiacich plynov a pevných horiacich úlomkov do výšky stoviek metrov, pričom úlomky padajú medzi ostatné palivá v smere vetra. Horiace plyny môžu vytvoriť samostatnú masu plameňov nazývanú ohnivá guľa alebo ohnivý vír, ktorá môže zapáliť palivá, ktoré sa dostanú do kontaktu s ním. Intenzita požiaru vytvára sálavé teplo takého rozsahu, že palivá vzdialené do určitej vzdialenosti sa zahrejú na teplotu vznietenia, vznietia sa a horia.

Kondukcia (vedenie energie) – vzťahuje sa na šírenie požiaru prostredníctvom priameho kontaktu materiálov. Kondukcia je prenos tepelnej energie cez materiál kontaktom medzi jeho dotýkajúcimi sa molekulami, kmitajúcimi okolo rovnovážnych polôh. Keďže je potrebný skutočný kontakt kmitajúcich molekúl, vedenie je väčšinou obmedzené na lokálne pôsobenie. Účinky sú najvýraznejšie v pevných materiáloch, kde je kontakt molekúl najvyšší a kde nedochádza k veľkoplošnému fyzikálnemu pohybu molekúl. Teplo sa vždy šíri vedením z horúcich oblastí pevnej látky do studených. To možno ľahko ilustrovať zahrievaním jedného konca kovovej tyče a pozorovaním zvyšovania teploty na druhom konci. Teplo vedené tyčou spôsobí nárast teploty na druhom konci, ale so značným oneskorením. Množstvo tepla vedeného cez tyč je úmerné času, ploche prierezu a rozdielu teplôt medzi koncami a je nepriamo úmerné jej dĺžke.

Niektoré materiály vedú teplo lepšie ako iné, vhodným príkladom je práve kov. Požiar šíriaci sa vedením v obchodných priestoroch môže zahŕňať prenos tepla cez konštrukčné materiály, ako sú oceľové nosníky. Horľavé prvky, ktoré sa dostanú do kontaktu s nosníkmi, sa môžu vznietiť a od nich sa môže šíriť požiar. Vedenie môže byť zodpovedné za šírenie požiaru medzi miestnosťami vo väčších budovách, ako aj za zlyhanie nosných konštrukčných podpier.

Rýchlosť, akou sa teplo prenáša materiálom vedením, sa meria ako tepelná vodivosť (k), v jednotkách W∙m-2 (pokiaľ vyjadrujete pôsobenie tepla na povrch paliva), m (pokiaľ vyjadrujete vzdialenosť alebo hrúbku) a v °C alebo K (pokiaľ vyjadrujete teplotu) [3,4]

Zhrnutie

Palivá sa líšia nielen svojou chemickým zložením a štruktúrou, skupenstvom, spôsobom oxidácie, tepelným výkonom reakcie Majú tiež odlišné vlastnosti, pokiaľ ide o teplotu pri ktorej sa vznietia, množstvom kyslíka použitého na oxidáciu jednotkového množstva paliva, rýchlosťou, akou sa vznietia a oxidujú a ďalšie vlastnosti súvisiace s ich fyzikálnym stavom.

Hoci je požiar zložitý jav, je založený len na niekoľkých základných chemických reakciách. Najväčšie množstvo produktov horenia bežných palív sa tvorí oxidáciou uhlíka, vodíka a síry. Ak pochopíme, že prakticky všetky procesy prebiehajúce pri požiari sa dajú zredukovať na takéto jednoduché reakcie, budeme lepšie pripravení na hlbšie skúmanie podstaty reakcií prebiehajúcich pri horení

Kontrolné otázky

1. Aký rozdiel medzi pojmami horenie a požiar?

2. Ktorý prírodný prvok je potrebný na bežné horenie?

3. Ktoré tri hlavné zlúčeniny vznikajú pri horení uhľovodíkových palív?

4. Aký je rozdiel medzi uhľovodíkmi a sacharidmi?

5. Aký je rozdiel medzi glukózou a celulózou?

6. Čo znamená pojem spaľovacie teplo paliva?

7. Definujte organickú zlúčeninu.

8. Ak podľa zákona o ideálnom plyne stúpne teplota určitého množstva plynu z 27 °C na 327 °C, aká bude zmena jeho objemu?

9. Aké tri skupenstvá látky rozoznávame?

10. Aké sú rôzne spôsoby prenosu energie? Uveďte niekoľko príkladov z každodenného života na jednotlivé druhy prenosu tepla.

Použitá literatúra

1. ASTM D3699: Specification for Kerosene. West Conshohocken, PA: American Society for Testing and Materials, 2008.

2. Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p.

3. Gardiner, W.C. The Chemistry of Flames. Scientific American, 1982, 246 (2): 110–25.

4. Green, D.W, Southard, M.Z. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 9th ed. New York: McGraw-Hill, 2019, 2 274 p.

Doplnkové študijné zdroje

1. Čo je to požiar?

2. Prenos tepla v požiarnom priestore

2. TEORETICKÉ VÝCHODISKÁ DYNAMIKY POŽIARU

Pre pochopenie podstaty procesov horenia je potrebné uplatňovať komplexný prístup s využitím zákonitostí z odboru hydromechaniky, prenosu tepla a látky a chemickej kinetiky.

V tejto kapitole sú uvedené poznatky, ktoré Vám umožnia pochopiť, čo je horenie, aký je priebeh horenia pri vnútorných požiaroch a ktoré faktory majú významný vplyv na rozvoj vnútorných požiarov Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Vysvetliť rozdiel medzi dokonalým a nedokonalým horením

 Opísať mechanizmus plameňového a bezplameňového horenia.

 Opísať proces nazývaný pyrolýza

 Zadefinovať pojmy požiar riadený palivom a požiar riadený ventiláciou.

 Vymenovať a opísať fázy vnútorného rozvoja požiaru

 Vymenovať a definovať faktory rozvoja vnútorného požiaru.

Kľúčové slová: bezplameňové horenie, difúzne horenie, dokonalé horenie, fázy rozvoja požiaru, geometria priestoru, heterogénne horenie, homogénne horenie, iniciačný zdroj, kinetické horenie, nedokonalé horenie, palivo, plameňové horenie, tlenie, ventilácia, vnútorný požiar.

2.1. Horenie a spôsoby horenia

Všeobecne prijímanou definíciou horenia je, že ide o proces, ktorý zahŕňa rýchlu oxidáciu pri zvýšených teplotách sprevádzanú vznikom zahriatych plynných produktov a emisiou viditeľného a neviditeľného žiarenia. Oxidácia sa vyskytuje všade okolo nás. Kľúčovým slovom, ktoré odlišuje horenie od iných foriem oxidácie, je však slovo "rýchla".

Proces horenia sa zvyčajne spája s oxidáciou paliva za prítomnosti kyslíka s emisiou tepla, svetla a iných produktov horenia. Oxidácia v prísnom chemickom zmysle znamená stratu elektrónov. Aby mohla prebehnúť oxidačná reakcia, musí byť prítomné redukčné činidlo (palivo) a oxidačné činidlo (zvyčajne kyslík). Pri pridávaní tepla získavajú zdroj vznietenia, molekuly paliva a molekuly kyslíka energiu a stávajú sa aktívnymi. Táto molekulová energia sa prenáša na ďalšie molekuly paliva a kyslíka, čím vzniká reťazová reakcia, pri ktorej palivo stráca elektróny a kyslík získava elektróny. Tento exotermický prenos elektrónov vyžaruje teplo a/alebo svetlo. Ak je oheň v ohnisku alebo v peci, označujeme tento proces ako riadené horenie, a ak horí budova alebo prírodné prostredie, označujeme tento proces ako

nekontrolovaný požiar.

Z hľadiska klasifikácie druhov horenia rozoznávame viacero faktorov.

Vychádzajúc z podmienok, pri ktorých horenia prebieha rozlišujeme horenie:

 dokonalé

 nedokonalé

Dokonalé horenie prebieha za dostatočného prístupu oxidačného prostriedku, kedy dochádza k dokonalému spaľovaniu, t. j. chemickej reakcii horenia za vzniku termodynamicky stabilných oxidov

Produkty dokonalého horenia sú napr.: oxid uhličitý, vodná para a dusík, ktoré ďalej nehoria. Dokonalé horenie je charakteristické pre požiare prebiehajúce na otvorenom priestranstve Horením blízkym k dokonalému horeniu je napríklad požiar plynu unikajúceho z potrubia na otvorenom priestranstve.

Nedokonalé horenie prebieha za nedostatočného prívodu oxidačného prostriedku Produktmi

nedokonalého horenia sú napríklad oxid uhoľnatý, kyanovodík a iné plyny, ktoré môžu ďalej horieť. Produkty (splodiny) horenia závisia od druhu horľavej látky a prístupu oxidačného prostriedku.

Nedokonalé horenie prebieha väčšinou v uzatvorenom priestore (požiar v pivnici alebo v sklade)

Doba (trvanie) horenia sa skladá z času nevyhnutného na difúziu, fyzický kontakt medzi oxidačným prostriedkom a horľavou látkou a z času na prebehnutie samotnej chemickej reakcie.

Podľa skupenstva jednotlivých zložiek horľavého súboru (palivo a oxidačný prostriedok)

klasifikujeme horenie na:

 homogénne,

 heterogénne

Pri homogénnom horení sú zložky horľavého súboru v rovnakom skupenstve. Patrí sem horenie horľavých kvapalín a plynov. Medzi oxidačným prostriedkom (kyslík vo vzduchu) a palivom (horľavé plyny) sa nenachádza fázové rozhranie, to znamená, že nedochádza k horeniu na rozhraní fáz. Charakteristickým znakom homogénneho horenia je plameň. Plynná horľavá látka sa molekulovou difúziou zmiešava s oxidovadlom (vzduchom), vzniká horľavý súbor v plynnom skupenstve. Homogénny horľavý súbor je možné iniciovať vonkajším zdrojom zapálenia (otvorený plameň, iskra) a dochádza k jeho vzplanutiu a nasledovnému horeniu. Horľavý súbor je možné iniciovať aj vonkajším zdrojom sálavého tepla, dochádza k jeho vznieteniu a nasledovnému horeniu. Horľavé kvapaliny nehoria v celom svojom objeme, dochádza k ich vyparovaniu, uvoľňujú sa z nich horľavé pary (ich množstvo sa zvyšuje zahrievaním kvapaliny). Pary sa premiešavajú so vzduchom a vytvárajú plynný homogénny horľavý súbor, ktorý je možné iniciovať obdobne ako pri horení plynných horľavých látok. Charakteristickým znakom homogénneho horenia plynných a kvapalných horľavých látok je horenie plameňom.

Pri heterogénnom horení sú zložky horľavého súboru v rozdielnom skupenstve Palivom je tuhá látka (drevo, bavlna). Oxidačným prostriedkom plyn (kyslík, vzduch). Charakteristickým znakom heterogénneho horenia je napr. tlenie, žeravenie. Medzi plynným oxidačným prostriedkom (vzduch) a tuhou horľavou látkou (napr.: drevo, celulóza, papier a pod.) sa nachádza fázové rozhranie, horenie prebieha na rozhraní fáz. Tuhý materiál zvyčajne pri horení nereaguje priamo s kyslíkom, ale samotnému

horeniu predchádza termická degradácia materiálu, jeho tepelný rozklad spojený s uvoľňovaním plynných horľavých produktov a pár. Množstvo tuhých látok však horí tak homogénne, ako aj heterogénne.

Pri degradácii tuhého materiálu sa tvorí na jeho povrchu tuhý uhlíkový (karbónový) zvyšok a takýto materiál má sklony k tleniu a žeraveniu. Plynné horľavé produkty a pary sa premiešavajú s plynným oxidačným prostriedkom (vzduchom) a vytvárajú plynný homogénny horľavý súbor, ktorý je možné iniciovať obdobne ako pri homogénnom horení plynných horľavých látok. Charakteristickým znakom heterogénneho horenia je bezplameňové horenie napr.: tlenie na povrchu tuhej horľavej látky, dreva, papiera, bavlny. Niektoré tuhé látky pôsobením tepla menia svoje skupenstvo. Roztopená, roztavená látka sa pôsobením tepla vyparuje, dochádza k jej tepelnému rozkladu, ktorý je spojený s úbytkom na hmotnosti, poprípade sa rozkladá za vzniku horľavých plynov a pár. Horľavé plyny a pary sa premiešavajú s oxidovadlom (vzduchom) a vytvárajú plynný homogénny horľavý súbor, ktorý je možné iniciovať obdobne ako pri homogénnom horení plynných horľavých látok. Dej horenia pri iniciácii uvoľňuje ďalšie teplo, ktoré je potrebné na zahájenie fázy propagácie horenia.

Horenie je možné rozdeliť aj podľa rýchlosti difúzie a chemickej reakcie a to na kinetické a difúzne.

Pri kinetickom horení rýchlosť horenia závisí hlavne od rýchlosti chemickej reakcie medzi horľavou látkou a oxidačným prostriedkom, difúzia medzi oxidovadlom a palivom je zanedbateľná (napr.: explózia zmesi metánu a kyslíka). Kinetické a zároveň homogénne horenie je napr.: horenie zmesi horľavých pár so vzduchom nad horľavou kvapalinou alebo horenie výbušných zmesí. Kinetické a zároveň heterogénne horenie je napríklad tlenie dreva alebo drevného uhlia.

Difúzne horenie závisí od rýchlosti, a času, fyzického kontaktu horľavej látky a oxidačným prostriedkom. Pre celkovú rýchlosť horenia je určujúca rýchlosť difúzie oxidačného prostriedku do paliva (napr.: väčšina požiarov horľavých látok na voľnej ploche a aj v objektoch).

Pre homogénne horenie je čas fyzického kontaktu horľavej látky s oxidačným prostriedkom zhodný s dobou vytvárania horľavej zmesi, pre heterogénne horenie je zhodný s dobou približovania oxidačného prostriedku z objemu vzduchu k povrchu pevnej horľavej látky. Vytváranie horľavej zmesi a približovanie oxidačného prostriedku k povrchu horľavej látky sa uskutočňuje difúziou. Difúzne a zároveň homogénne

horenie je napr.: horenie kvapaliny s voľným povrchom alebo horenie plynu unikajúceho z potrubia).

Difúzne, heterogénne horenie je napr.: horenie antracitu, koksu, keď je teplota na povrchu horľavej látky

pomerne vysoká, ale difúzia kyslíka do pásma horenia je obmedzená vrstvou spalín a vzduchu a nedostatok kyslíka spôsobuje zníženie rýchlosti chemickej reakcie

Podľa tvorby plameňa rozoznávame dva základné spôsoby horenia (video 2.1):

 plameňové horenie (homogénna oxidácia): nastáva, keď sú palivo a oxidačné činidlo v rovnakom skupenskom stave, napr. dva plyny;

 bezplameňové horenie (heterogénna oxidácia): prebieha na povrchu (tlenie, žeravenie), keď

palivo a oxidačné činidlo nie sú v rovnakom stave, napr. keď je palivom tuhá látka a oxidačným

činidlom je plyn.

*Pozn.: Na spustenie videa použite kombináciu súčasného stlačenia klávesy Ctrl na klávesnici a kliknutia na obrázok prostredníctvom ľavého tlačidla na myši

Pri plameňovom horení je potrebné, aby z tuhého a kvapalného paliva vznikli plyny alebo pary. Táto produkcia plynu alebo pár uvoľňovaných z pevného paliva sa označuje ako pyrolýza. Po vytvorení plameňa pokračuje prenos tepla z plameňa na povrch paliva, čím sa uvoľňujú ďalšie prchavé plyny a pokračuje proces horenia. Pokračovanie plameňového horenia si vyžaduje vysokú rýchlosť horenia a tepelné straty spojené s prenosom tepla z plochy plameňa vedením, konvekciou a radiáciou musia byť menšie ako energetický výkon požiaru. Ak sú tepelné straty väčšie ako energetický výkon požiaru, požiar uhasne.

Obidva spôsoby, plameňové a bezplameňové horenie, sa môžu vyskytovať samostatne alebo v kombinácii. Horľavé kvapaliny a plyny sú charakteristické výhradne plameňovým horením. Drevo, slama a uhlie sú príkladmi súčasnej existencie oboch spôsobov horenia

Plameňové horenie sa môže vyskytovať v nasledujúcich formách:

 Vopred zmiešané (predzmiešané) plamene, pri ktorých sa palivo a kyslík zmiešajú pred zapálením. Napríklad plameň na plynovom sporáku alebo propánovom horáku.

 Difúzne plamene, ktoré sa vyskytujú častejšie, kde sú palivo a kyslík spočiatku oddelené, zmiešavajú sa v reakčnej zóne, napríklad horenie kaluže horľavej kvapaliny alebo horenie polena.

Plameňové horenie je teda charakteristické horením, pri ktorom sú palivo aj oxidovadlo v plynnom skupenstve.

Video 2.1 Rozdiel medzi plameňovým a neplameňovým horením

Tlenie sa odohráva na povrchu pevného paliva, kde dochádza ku kontaktu s plynným oxidovadlom (zvyčajne kyslík obsiahnutý vo vzduchu).

Takmer všetky veľké požiare sú charakteristické plameňovým horením. Tlejúci požiar sa vyskytuje samostatne alebo v kombinácii s plameňovým horením. Napríklad bezplameňový požiar prebiehajúci v matraci alebo v hromade pilín je vhodným príkladom tlejúceho požiaru (pričom môže spôsobiť rozsiahle škody), rovnako ako horenie dreveného uhlia, ktoré sa používa pri grilovaní.

Rozdiely medzi plameňovým a bezplameňovým horením sú teda výsledkom povahy a stavu paliva, ako aj dostupnosti kyslíka, čo všetko ovplyvňuje rýchlosť, akou sa vytvára dym a teplo.

Ak sa tlejúci matrac alebo piliny rozhoria, môžu sa rozvinúť do plameňového požiaru, pretože sa do kontaktu s kyslíkom dostane viac paliva. Na druhej strane, žeravé drevené uhlie má malý alebo žiadny plameň, pretože zlúčeniny, ktoré by sa mohli vyparovať (a tým prispieť k vzniku plameňového horenia), sa uvoľnili v čase, keď pôvodné palivo zuhoľnatelo alebo podliehalo uhoľnateniu.

Plameňové horenie ovplyvňujú najmä chemické a fyzikálne charakteristiky paliva.

Z chemických charakteristík sú dôležité chemické zloženie a štruktúra, prítomnosť a zloženie použitých retardérov horenia. Z fyzikálnych charakteristík majú hlavný vplyv skupenstvo, teplota, tepelná vodivosť, tepelná kapacita, orientácia povrchu, hustota, hrúbka a geometria (rozmery).

Podmienkou plameňového horenia je vznik horľavých plynov a pár, na ktoré má vplyv skupenstvo a chemická štruktúra paliva. Tuhé palivá sa na horľavé plyny transformujú rôznymi procesmi (obr. 2.1), napr. sublimáciou (meténamín), topením a vyparovaním bez chemickej zmeny (nízkomolekulový parafín), topením, rozkladom, vyparovaním nízkomolekulových frakcií (vysokomolekulový parafín, termoplasty), rozkladom na taveninu, potom vyparovaním (polyuretány) alebo rozkladom priamo na prchavé produkty (celulóza).

Obr. 2.1 Procesy splyňovania tuhého paliva [3]

Sublimácia je fázová premena (zmena skupenstva) látky z pevnej látky (pevného skupenstva) priamo na plyn (plynné skupenstvo) bez predchádzajúceho topenia, teda bez prechodu cez kvapalné skupenstvo

Topenie je fázová premena pevnej látky pevného skupenstva na kvapalnú látku (kvapalné skupenstvo).

Vyparovanie alebo evaporácia je skupenská premena, pri ktorej sa kvapalina mení na plyn. Môže to byť iba na voľnom povrchu (teda pod teplotou varu; tzv. vyparovanie v užšom zmysle), alebo v celom objeme (teda pri teplote varu a vyššie; tzv. var).

Rozklad možno charakterizovať ako zmenu materiálu alebo látky (teplom, chemickou reakciou alebo inými procesmi) na iné chemické zlúčeniny. Termický rozklad je rozklad iniciovaný zahrievaním.

Samovznietenie a samozahrievanie sú procesy, keď teplo potrebné na zapálenie látky vzniká v látke samotnej ako dôsledok chemických, fyzikálnych alebo biologických procesov. Podstata procesu samovznietenia je u väčšiny horľavín rovnaká ako pri procese vznietenia. Pre procesy samovznietenia miesto vzniku horenia nemusí byť totožné s miestom pôsobenia iniciácie Pod pojmom samovznietenie je treba chápať nielen vlastné zapálenie látky, ale komplexný samovoľne prebiehajúci proces, od prvého okamihu nárastu teploty (teplota samozahrievania) až k dosiahnutiu teploty samovznietenia, a to ako dôsledok chemických, fyzikálnych alebo biologických procesov. Výsledkom procesu samovznietenia je vznietenie a následné horenie látky plameňovým alebo bezplameňovým spôsobom (tlenie, žeravenie)

Aplikáciou rozboru nevyhnutných podmienok pre vznik horenia sa dostávame k pojmom požiar riadený palivom a požiar riadený ventiláciou (odvetraním) [4]

O požiari riadenom palivom hovoríme po iniciácii (zapálení) a vo fáze rozvíjajúceho sa požiaru, rovnako ako pri uhasínaní. Je charakterizovaný dostatkom kyslíka a zmeny parametrov požiaru sú dominantne ovplyvňované charakteristikami paliva (horľavého materiálu).

V prípade požiaru riadeného ventiláciou (odvetraním), ktorý nastáva vo fáze plne rozvinutého požiaru, je nedostatok kyslíka na horenie produktov pyrolýzy, ktoré vznikajú následkom zvyšovania sa teploty v priestore. Na zmenu parametrov vnútorného požiaru má dominantný vplyv vzduch prúdiaci otvormi Horenie tiež môže prebiehať formou výbuchu.

Výbuch (explózia) je rýchla fyzikálnochemická reakcia sprevádzaná okamžitým uvoľňovaním veľkého množstva energie. Ide o náhlu expanziu plynu, ktorá môže byť vyvolaná prudkou oxidačnou alebo rozkladnou reakciou. Z hľadiska rýchlosti oxidácie prebieha chemický výbuch buď formou explozívneho horenia – deflagráciou alebo detonáciou.

Pri deflagrácii ide o horenie sprevádzané výbuchom šíriace sa podzvukovou rýchlosťou.

Pri detonácii sa horenie šíri nadzvukovou rýchlosťou, je charakteristické tlakovou vlnou

2.2. Klasifikácia fáz horenia vnútorných požiarov

Na základe prebiehajúcich procesov môžeme priebeh požiaru rozdeliť na: počiatočné štádium, štádium tlenia (pyrolýzy) a štádium plameňového horenia

V počiatočnom štádiu prebieha predhrievanie, destilácia a pomalá pyrolýza. Plyny a submikrónové častice sa vytvárajú a prenášajú od zdroja difúziou, pohybom vzduchu a slabým konvekčným pohybom, ktorý vzniká vztlakom produktov pyrolýzy.

Štádium tlenia predstavuje rozvinutú pyrolýzu, ktorá sa začína zapálením a zahŕňa počiatočnú fázu horenia. Vznikajú neviditeľné a viditeľné (dym) aerosólové častice, ktoré sa od zdroja šíria slabou konvekciou a pohybom vzduchu v pozadí.

V štádiu plameňového horenia prebieha rýchla reakcia, ktorá zahŕňa dobu od počiatočného výskytu plameňa až po plne rozvinutý požiar. K prenosu tepla z požiaru dochádza prevažne radiáciou a konvekciou z plameňa.

Komplexnejšia je klasifikácia vnútorných požiarov na základe nadväzujúcich fáz podľa vhodných kritérií. Najčastejšie sa využíva delenie na fázy podľa teplotno-časovej krivky, výmeny plynov cez otvory a vzniku flashoveru [5].

Pri popise požiaru podľa teplotno-časovej krivky (obr. 3.3) alebo tiež krivky rozvoja požiaru (obr. 3.4) rozoznávame nasledujúce základné fázy: 1. zapálenie (iniciácia), 2. rozvoj, 3. flashover, 4. plne rozvinutý požiar, 5 uhasínanie požiaru

Obr. 2 2 Teplotno-časová krivka vnútorného požiaru [6]

Obr. 2.3 Krivka rozvoja požiaru [5]

Vo fáze 1 – Zapálenie – prebiehajú exotermické reakcie, dochádza k nárastu teploty nad teplotu okolia. Zapálenie vyvolávajú vonkajšie iniciačné zdroje alebo môže nastať spontánne. Proces pokračuje ako plameňové alebo bezplameňové horenie

Táto počiatočná fáza požiaru (obr. 3.5) sa začína vznietením, po ktorom môže požiar uhasnúť, alebo môže pokračovať ďalším šírením. Ak sa horením spotrebuje ľahko dostupné palivo alebo ak neprodukuje dostatok výparov z paliva potrebných na ďalšie horenie, požiar uhasne.

Obr 2 4 Počiatočná fáza požiaru po iniciácii horenia [5]

K tomu môže dôjsť, ak látky alebo predmety obsahujú vysoké množstvo aditív spomaľujúcich horenie (retardéry horenia), alebo ak horí len jeden predmet a všetky ostatné horľavé látky (palivá) sú umiestnené príliš ďaleko na to, aby mohlo dôjsť k ich vznieteniu pôsobením sálavého tepla a aby naďalej zabezpečovali potrebné palivo na udržanie horenia.

Ďalším spôsobom, ako môže dôjsť k samouhaseniu požiaru je, ak mu vo fáze šírenia chýba dostatočný prísun vzduchu a kým sa priestor a všetko palivo v ňom neochladí natoľko, že požiar úplne

vyhasne, stále trvá jeho nedostatok. V oboch prípadoch, ak sa požiar samovoľne uhasí krátko po zapálení, zanechá minimálne škody.

Na druhej strane sa požiar môže rozvinúť do fázy rozvinutého požiaru. To si vyžaduje, aby bola k dispozícii vhodná zmes paliva a kyslíka na podporu horenia v oblastiach plameňového horenia.

Obr. 2 5 Ustálené horenie [5]

V tomto prípade vzniknú samovoľné oxidačné reakcie, ktoré vytvárajú dostatok tepla na privádzanie nových pár z paliva do priestoru požiaru. Požiar sa môže šíriť dovtedy, kým je k dispozícii dostatok kyslíka, paliva a spätnej energie, takže horenie bude pokračovať, pokiaľ naň nebude pôsobiť nejaká vonkajšia sila, napríklad prúd vody z hadice. Táto fáza požiaru sa bežne označuje aj ako ustálené horenie (obr. 2.5). V prípade palív, ktoré sa nachádzajú v mnohých obytných a výrobných stavbách, sa veľkosť požiaru (charakteristického hodnotou rýchlosti uvoľňovania tepla (HRR) = 20 kW) často považuje za indikátor toho, že požiar vstúpil do fázy ustáleného horenia.

Po vzniku požiaru a jeho prechode do ustáleného horenia sa požiar dostáva do fázy 2 – Rozvoj požiaru

Táto fáza (obr. 2.6) môže prebiehať nízkou alebo vysokou rýchlosťou v závislosti od typu horenia, typu paliva, interakcie s okolím a prísunu kyslíka. Pri popise tejto fázy sa vychádza z rýchlosti uvoľnenia tepla, ktorá vplýva na rýchlosť nárastu teploty a vznik spalín. Pri rozvoji bezplameňového požiaru sa uvoľňuje veľké množstvo toxických plynov a rýchlosť uvoľňovania energie je nízka. Fáza má dlhé trvanie a požiar môže uhasnúť. Rozvoj plameňového požiaru je rýchly pri dostatku paliva a kyslíka, často je riadený palivom.

Obr. 2 6 Fáza rozvoja požiaru [5]

V počiatočnom štádiu požiaru sú HRR a fyzikálna veľkosť požiaru základnými parametrami, pretože tie určujú, ako sa budú požiare rozvíjať a šíriť sa.

Pri vzniku požiaru sa zvyčajne vznieti a horí len jedna časť paliva. Hnacou silou počiatočného rozvoja požiaru je predovšetkým šírenie plameňa po tejto časti. Preto sa veľkosť požiaru v počiatočných fázach rastu riadi vlastnosťami primárne horiaceho paliva (predmetu)

Následne sa veľkosť požiaru zväčšuje, keď sa plamene šíria na okolité palivá, a to buď priamym kontaktom s plameňom, alebo vznietením vplyvom sálania. Potenciál požiaru šíriť sa, závisí od dôležitých

faktorov, ako je orientácia paliva, usporiadanie paliva a exponovaná plocha povrchu (alebo pomer plochy povrchu k hmotnosti paliva). Kombinovaná HRR počiatočného paliva (počiatočných palív) je dôležitým faktorom určujúcim rýchlosť rastu požiaru. Napokon je dôležitá aj vzdialenosť medzi jednotlivými palivami.

Čím bližšie sú horľavé predmety k sebe, tým väčší je potenciál zapálenia viacerých predmetov v skoršej fáze požiaru.

Vo fáze rozvoja požiaru prispieva rýchle šírenie plameňa po povrchu paliva k väčšej ploche horenia (plocha požiaru), čo zase zvyšuje HRR, pretože oxidačným reakciám podlieha väčšie množstvo paliva. Keďže požiar sa naďalej rozširuje a ovplyvňuje svoje okolie kombinovaným prenosom tepla konvekciou, vedením a sálaním (radiáciou), teploty všetkých predmetov v priestore sa naďalej zvyšujú. Keď rozširujúci sa požiar vytvára teplo prevyšujúce tepelné straty odvodom tepla stenami a tepla prúdiaceho von z priestoru v unikajúcom dyme, dochádza k zvyšovaniu teploty. HRR požiaru narastá na maximálnu, približne konštantnú hodnotu. Konečným výsledkom tepelnej nerovnováhy je, že požiar prejde fázou "flashover", a vstúpi do fázy plne rozvinutého požiaru

Kritériami fázy 3 – Flashover – je dosiahnutie teploty 500-600 °C, radiácia na podlahu 15-20 kW∙m2 a objavenie sa plameňov v otvoroch. Procesy prebiehajú rôznym mechanizmom v závislosti od vlastností a uloženia paliva, geometrie priestoru a podmienok v hornej horúcej vrstve.

Flashover (obr. 2 7) je priestorové vzplanutie, pri ktorom sa požiar rýchlo rozvíja. Je mimoriadne dôležité túto fázu rozpoznať a pochopiť. Skutočné hodnoty HRR budú závisieť od mnohých faktorov, ako

je veľkosť miestnosti, okolité podmienky, obkladové materiály, druhy paliva, geometria a zaťaženie a vetranie. Tento prechod sa všeobecne charakterizuje ako prechod od „požiaru v miestnosti“ na „horiacu miestnosť“.

Obr. 2.7 Flashover [5]

Po priestorovom vzplanutí sa požiar považuje za plne rozvinutý (požiar sa rozšíril na všetko dostupné palivo v uzavretom priestore), v ktorom možno požiar opísať ako požiar s relatívne stabilnou hodnotou HRR. Fáza 4 – Plne rozvinutý požiar – predstavuje uvoľnenie najväčšieho množstva energie (obr. 2.8).

Obr. 2 8 Fáza plne rozvinutého požiaru [5]

Vzhľadom na rastúce hodnoty HRR pred vzplanutím má všetko prítomné palivo dostatočne vysokú teplotu na to, aby mohla nastať jeho pyrolýza a horenie pyrolytických produktov. Zo všetkých palív v miestnosti sa uvoľňujú splodiny (plynné produkty horenia). Vzniká toľko splodín a uvoľňuje sa toľko tepla, že horenie nastáva všade tam, kde sa vyskytuje vhodná zmes kyslíka a paliva. Keďže v priestore je najčastejšie prebytok splodín horenia, požiar je riadený ventiláciou a hodnota HRR požiaru je v tomto ustálenom stave zvyčajne maximálna Skutočná hodnota HRR však bude závisieť od podmienok ventilácie, ktorá významnou mierou ovplyvňuje správanie požiaru. Preto bude HRR (alebo veľkosť požiaru) a celková teplota v priestore v tejto fáze závisieť od veľkosti priestoru, veľkosti všetkých otvorov v priestore a množstva privádzaného vzduchu.

Výsledky realizovaných veľkorozmerových

požiarnych skúšok preukázali, že tepelný tok z vrstvy horúcich plynov s hodnotou asi 20 kW∙m-2 na úrovni podlahy sa všeobecne považuje za dostatočný na to, aby spôsobil priestorové vzplanutie. Pri takomto tepelnom toku sa pokrčený novinový papier zapáli v priebehu niekoľkých sekúnd. Hodnoty tepelného toku pri horení celej miestnosti (štádium po priestorovom vzplanutí) sú značne vyššie ako hodnoty počas priestorového vzplanutia. Na úrovni podlahy sa zaznamenali hodnoty tepelného toku 170 kW∙m-2

Často je obmedzená dostupnosť kyslíka a vtedy dochádza k hromadeniu nespálených plynov pod stropom a šľahaniu plameňov z otvorov. Teplota plynov dosahuje 700-1 200 °C.

Prenikanie horúcich plynov a produktov horenia z jedného priestoru do druhého počas fázy plne rozvinutého požiaru môže spôsobiť vznietenie v iných priestoroch a požiar sa potom môže rozšíriť z jedného priestoru do druhého. V tomto štádiu bude horúci dym prúdiť von z priestoru do všetkých ostatných prístupných priestorov v rámci celej stavby.

Keď sa palivo a/alebo kyslík vyčerpajú alebo už nie sú schopné vzájomne sa miešať a vytvárať horľavú zmes, požiar sa dostane do fázy uhasínania (obr. 2.9).

Vo fáze 5 – Uhasínanie – sa v dôsledku spotrebovania paliva znižuje rýchlosť uvoľňovania energie, nastáva pokles teploty plynov a požiar riadený ventiláciou sa mení na požiar riadený palivom. Po spotrebovaní väčšiny paliva sa HHR a teploty začnú znižovať a požiar vyhasne.

Počas dohorievania alebo v prípade likvidácie požiaru sa môže po celej stavbe šíriť veľké množstvo dymu, obsahujúce horľavé látky. Aj keď sa viditeľný dym rozptýli, zahriate aerosólové usadeniny na povrchoch v priestore môžu obsahovať prchavé látky, ktoré sa naďalej odparujú a miešajú so vzduchom v priestore požiaru a priľahlých priestoroch ešte dlhý čas. V závislosti od podmienok vetrania a miešania prevládajúcich počas požiaru sa tieto usadeniny a prchavé látky môžu vznietiť a môžu obsahovať aj mnohé nebezpečné (toxické) vedľajšie organické produkty horenia vrátane niektorých, ktoré zvyšujú riziko vzniku rakoviny.

Obr. 2.9 Fáza uhasínania požiaru [5]

Pri klasifikácii fáz požiaru na základe výmeny cez otvory vychádzame zo zjednodušenia, že priestor s primárnym požiarom má jeden otvor v úrovni podlahy do okolia. Hybnou silou výmeny plynov medzi vnútorným a vonkajším priestorom sú tlakové rozdiely na oboch stranách otvoru. Z hydrostatických predstáv vyplýva, že tlak na podlahe je vyšší (vyššia hmotnosť stĺpca vzduchu). Ďalej predpokladáme, že teplota dolnej (studenej) vrstvy plynov a vonkajšia je rovnaká. Požiar môžeme rozdeliť na fázy A, B, C, D (obr. 2 10).

Obr. 2.10 Fázy výmeny plynov pri vnútornom požiari [6]

Vo fáze A je vnútorný tlak vyšší ako vonkajší v dôsledku expanzie horúcich plynov. Ak sa otvor

nachádza mimo stropu, studené plyny sú vytláčané. Pretože zmena tlaku je pozitívna vzhľadom na

miestnosť, dnu plyny neprúdia. Fáza B trvá len niekoľko sekúnd (často sa zanedbáva). Vnútorný tlak je

v celom priestore vyšší ako vonkajší. Dym dosiahol horný okraj otvoru a von prúdia aj studené aj teplé

plyny. Vo fáze C horúce plyny prúdia von hornou časťou otvoru a dnu prúdi ekvivalentné množstvo studených plynov dolnou časťou otvoru. Trvá to do úplného zadymenia alebo dosiahnutia flashover

Z toho vyplýva že fázy A, B, C trvajú počas rozvoja požiaru (klasifikácia podľa teplotno-časovej krivky)

resp. vo fáze pre-flashover (viď nasledujúci odsek) a predstavujú tzv. rozvrstvené plyny. Fáza D predstavuje dobre premiešané plyny, plne rozvinutý požiar, post-flashover. Celý priestor je zaplnený dymom, plyny majú rovnakú teplotu.

Z hľadiska vzniku flashover možno požiar rozdeliť na fázu pre-flashover a fázu post-flashover. V prvej z týchto fáz je potrebné priebeh požiaru posudzovať s dôrazom na bezpečnosť ľudí. Základom hodnotenia je rýchlosť uvoľňovania energie. Pre-flashover je fázou rozvoja požiaru, je riadený palivom. Vo fáze post-flashover je kladený dôraz na zaistenie stability stavby a bezpečnosti hasičov. Základom hodnotenia je teplotno-časová krivka (pozri obr. 3.3). Flashover predstavuje fázu plne rozvinutého požiaru, je riadený ventiláciou, ale za určitých podmienok sa môže zmeniť na požiar riadený palivom.

2.3.Faktory vnútorného rozvoja požiaru

Hlavné faktory vplývajúce na rozvoj vnútorného požiaru sú palivo a priestor. Podrobnejšie delenie faktorov je nasledovné: iniciačný zdroj, palivo, geometria priestoru, ventilačné otvory, materiál ohraničujúci priestor.

2.3.1 Faktor iniciačného zdroja

Medzi základné Iniciačné zdroje patrí iskra, horúci povrch, plameň (primárny požiar), chemická, elektrická, mechanická energia.

Zapálenie alebo iniciáciu horenia možno definovať ako začiatok samovoľného horenia paliva Základnými vlastnosťami, ktoré ovplyvňujú zapáliteľnosť objektu, sú jeho hustota, tepelná kapacita a tepelná vodivosť. Tieto vlastnosti spolu tvoria tepelnú inerciu (zotrvačnosť) materiálu.

Zapálenie si vyžaduje dostatočne rýchly prenos energie, aby došlo k prekonaniu tepelnej zotrvačnosti (inercie) a vyvolaniu samotného horenia Pokiaľ k tomu dôjde, hovorí sa, že zdroj zapálenia je spôsobilý (pre dané palivo za daných podmienok). Zapálenie predstavuje privedenie aspoň časti paliva k charakteristickej teplote vznietenia/vzplanutia prostredníctvom vedenia, prúdenia alebo sálania tepla, až kým sa horenie neustáli. V prípade plynných palív tento proces predstavuje zvýšenie teploty len malého objemu až dokiaľ nedôjde k zapáleniu. Pri tuhých palivách k zapáleniu dochádza na povrchu paliva (výnimkou je samovznietenie, pri ktorom sa teplo vytvára vo vnútri väčšej časti paliva). Bez ohľadu na povahu paliva, bez zdroja vznietenia/vzplanutia, t. j. bez zdroja energie, horenie nevznikne.

Iniciačným zdrojom [7] je najčastejšie určitý druh horúceho predmetu alebo hmoty, chemická reakcia, plameň alebo elektrický prúd. S výnimkou prípadu samozahrievania musí teplota zdroja prekročiť teplotu vzplanutia, prípadne vznietenia, paliva a tento zdroj musí byť schopný odovzdať dostatok tepla určitej mase paliva, aby mohlo dôjsť k vzplanutiu či vznieteniu. V prípade samozahrievania zapálenie iniciuje samovoľné tlejúce horenie, pri ktorom kyslík z okolitého vzduchu difúziou preniká do povrchu zuhoľnateného paliva, čím sa vytvorí dostatok tepla na urýchlenie reakcie. Proces tlenia však môže iniciovať aj vonkajší zdroj tepla.

Z charakteristík zdrojov je dôležitá teplota (cigareta 228-750 °C, acetylénový horák 2 700-3 200 °C) a doba pôsobenia. Vyššia energia zdroja znamená rýchlejší rozvoj požiaru a ovplyvňuje aj charakter požiaru. Iniciácia iskrou a cigaretou spôsobuje bezplameňové horenie, plamene sa objavujú až neskôr. Uvoľňuje sa malé teplo ale veľa toxických plynov. Po iniciácii plameňom (primárny požiar) nastáva plameňové horenie. Šírenie plameňa spôsobuje rýchlejší rozvoj požiaru.

Na charakter rozvoja požiaru vplýva aj poloha zdroja. Ak sa zdroj nachádza pod palivom, dochádza k vzostupnému šíreniu plameňa, čo spôsobuje jeho rýchly, exponenciálny rozvoj. Umiestnenie zdroja nad palivom spôsobuje zostupné šírenie plameňa, ktoré je pomalé, plazivé.

2.3.2. Faktor paliva

Pri vnútorných požiaroch vznikajúcich v nevýrobných stavbách je palivo väčšinou tuhé, pri výrobných stavbách často aj kvapalné. Charakter požiaru ovplyvňuje nielen skupenstvo, ale aj typ paliva. Nábytok z masívu má za následok pomalý rozvoj požiaru, ale dlho horí. V prípade poréznych materiálov a plastov s nízkou hustotou dochádza k rýchlejšiemu rozvoju požiaru, ale kratšiemu horeniu.

Poloha paliva vzhľadom na steny miestnosti ovplyvňuje teplotu a výšku plameňov.

Ak sa palivo nedotýka stien, studený vzduch vstupuje do vzostupného prúdu spalín z každej strany. Ak je palivo umiestnené pri stene, studený vzduch pôsobí obmedzene, preto je vyššia teplota plameňov aj vyššia výška.

Orientácia povrchu paliva má vplyv na rýchlosť šírenia plameňov aj ich výšku.

Vzostupne šírený požiar do vertikálne orientovanom palive je rýchlejší než bočné šírenie medzi horizontálne orientovanými povrchmi paliva. Rýchlosť šírenia plameňa po filtračnom papieri sa v závislosti od polohy povrchu mení nasledovne: 3,6 mm∙s-1 v horizontálnom smere (0°), 6,3 mm∙s-1 pri 22,5°; 11,2 mm∙s-1 pri 45°; 29,2 mm∙s-1 pri 75°; 46,0 mm∙s-1 vo vertikálnom vzostupnom smere (90°).

2.3.3. Faktor geometrie priestoru

Geometria priestoru, rozmery a pôdorys majú vplyv na teplotu, radiáciu z horúcej vrstvy a zadymenie priestoru. Na teplotu vplývajú najmä hodnoty a pomer výšky priestoru k ploche. Horúca vrstva dymu a horná horúca vrstva odrážajú teplo k horiacemu palivu, zvyšujú rýchlosť horenia, vplyv majú ich teploty a hrúbky. Spôsobuje to ohrievanie ďalších horľavých materiálov. Výška priestoru má vplyv na zadymenie. Množstvo vzduchu vťahovaného do prúdu spalín nad ohniskom požiaru závisí od vzdialenosti medzi povrchom paliva a hranicou horúcej vrstvy. Veľké množstvo vťahovaného vzduchu má za následok, že teplota plynov je relatívne nízka, ale proces zadymenia je pri vysokom strope ale aj pri menšej ploche relatívne rýchly. Pri posudzovaní vplyvu na spätný tepelný tok sa do úvahy berie to, že pri nízkom strope je prenos tepla do paliva väčší, plamene dosiahnu strop a šíria sa horizontálne. To zvyšuje spätný tepelný tok a spôsobuje rýchly rast požiaru. Ak je vysoký strop a veľká plocha, plamene nedosiahnu strop a spätný tepelný tok na palivo je mierny. Rozvoj požiaru súvisí s priamou radiáciou z plameňa do okolia. Ak je nízky strop a veľká plocha miestnosti, spätný tepelný tok z horúcej vrstvy a plameňov pod stropom je veľmi intenzívny blízko ohniska požiaru.

Veľký vplyv na šírenie požiaru má geometria aj vo veľkých priestoroch, kde sa horúce plyny zhromažďujú pod stropom, a radiáciou dochádza k ohrievaniu horľavín a následne extrémne rýchlemu

šíreniu požiaru na veľkej ploche

2.3.4. Faktor ventilačných otvorov

Požiar musí mať prísun kyslíka pre svoj rozvoj. V prípade priestorov stredného objemu, ktoré sú uzatvorené, alebo sú s okolím spojené len malými štrbinami, čoskoro nastáva nedostatok kyslíka, požiar sám uhasína alebo sa šíri veľmi nízkou rýchlosťou. Ak má priestor ventilačné otvory, dôležité sú ich veľkosť, tvar a poloha.

Kým nie je požiar riadený ventiláciou, otvory slúžia na odvod horúcich plynov pri vhodnej výške a polohe, čo znižuje spätný tepelný tok na palivo a rozvoj požiaru je pomalší. Keď je požiar riadený ventiláciou – najdôležitejší je vplyv otvorov na rýchlosť šírenia požiaru. Rýchlosť horenia závisí na ventilačnom faktore ���� ∙√���� (plocha a výška otvoru). Zvýšenie ventilačného faktoru spôsobuje ekvivalentné zvýšenie rýchlosti horenia (až kým horenie nezačne byť riadené palivom).

2.3.5. Faktor ohraničujúcich materiálov

Na rozvoj a charakteristiky požiaru má vplyv horľavosť a termické vlastnosti materiálu ohraničujúcich povrchov. Horľavý strop a steny spôsobuje rýchly nárast požiaru. Ak je strop horľavý, nastáva rýchle

šírenie plameňa a horúcich plynov. Ak je strop nehorľavý, plameň sa šíri pomalšie. Materiály sa preto zahrievajú pomalšie a flashover vzniká neskôr (obr. 2.11).

Obr. 2.11 Flashover pri horľavom a nehorľavom strope [6]

* Poznámka: �� = HRR Materiál povrchov miestnosti má vplyv na teplotu horúcich plynov a spätný tepelný tok na palivo a ostatné povrchy. Charakteristiky riadiace spätný tepelný tok sú konduktivita (k), hustota (ρ), tepelná kapacita (c) Ich súčin (k·ρ·c) sa nazýva tepelná inercia (zotrvačnosť). Izolačné materiály majú nízku tepelnú inerciu, viac tepla zostáva v priestore. Naproti tomu betón má vysokú tepelnú inerciu, odvedie viac tepla do konštrukcie, prípadne zníži teplotu plynov v priestore.

2.4. Vybrané nelineárne formy šírenia sa vnútorného požiaru

Zvyšovanie sa rýchlosti horenia a postupné zapaľovanie ďalších materiálov má pri vnútorných požiaroch za následok zvyšovanie sa teploty v priestore. Dá sa vyjadriť rovnicami lineárnych alebo kvadratickými funkciami. Za určitých podmienok prevažujú nelineárne formy rozvoja a šírenia sa požiaru, najbežnejšie sú flashover, backdraft a rollover.

Flashover (obr. 2.12) nastáva pri prechode z rozvíjajúceho sa požiaru do plne rozvinutého. Jedná sa o náhle vznietenie alebo vzplanutie všetkých horľavých materiálov v priestore v dôsledku zvýšenia teploty v uzavretom priestore. Neprejavuje sa výraznými tlakovými účinkami.

V tejto fáze požiaru dochádza k vznieteniu (zapáleniu) čoraz viac materiálu v miestnosti. Keďže je stále k dispozícii dostatok kyslíka, vznikajú vysoké plamene, ktoré transformujú laminárne prúdenie spalín (obsahujúce horúce horľavé plyny a pary) na turbulentné prúdenie. To má za následok celkové zahriatie horľavých materiálov v miestnosti, intenzívnejší vývin horľavých pár a stlačenie studeného vzduchu na

nižšiu úroveň. Teplota vzduchu v miestnosti sa zvýši na približne 700 °C. Ak takto vznikne požiar v uzavretom priestore, v dôsledku intenzívneho horenia čoskoro dôjde k strate kyslíka.

Flashover je situácia, pri ktorej sa všetky horľavé materiály v celom priestore horiacej miestnosti náhle súčasne vznietia (zapália). Hlavnou príčinou tohto javu je súčasné zahriatie všetkých horľavých materiálov v miestnosti produktmi horenia na teplotu, pri ktorej uvoľňujú zo svojho objemu horľavé plyny a pary. V okamihu, keď koncentrácia týchto plynov a pár prekročí dolnú hranicu výbušnosti (teplota v miestnosti je v tom čase vyššia ako 800 °C), okamžite sa vznietia.

Obr. 2.12 Flashover

Hlavné nebezpečenstvo priestorového vzplanutia spočíva v tom, že sa úplne ruší zásada "chladnejšieho vzduchu na úrovni podlahy" a zasahujúci hasiči sa môžu v zlomku sekundy ocitnúť vo veľmi nebezpečnej situácii. Je pomerne nemožné predpovedať, kedy k tomuto javu dôjde.

Prevenciou pred flashoverom je dostatočné ochladzovanie horiaceho priestoru a všetkých predmetov v ňom rozstrekovaným prúdom vody. Je dôležité neustále meniť smer prúdu od stropu k horiacim predmetom a späť.

Backdraft (z angličtiny spätný ťah, explozívne horenie) vzniká pri obmedzenom odvetrávaní vo fáze plne rozvinutého požiaru, keď sa v priestore hromadia nezhorené plyny. Tento zriedkavý jav sa teda prejavuje tlakovými účinkami (obr. 2.13).

Obr. 2.13 Backdraft

Po fáze voľného rozvoja môže požiar v uzavretej miestnosti spôsobiť taký pokles koncentrácie kyslíka vo vzduchu, že ďalšie horenie už nie je možné. Horiaca miestnosť je úplne naplnená hustým dymom. Teplota v miestnosti môže dosiahnuť až 500 °C a tlak vzduchu rýchlo stúpa. V dôsledku intenzívneho sálavého tepla sa z predmetov v zasiahnutej miestnosti uvoľňujú výbušné plyny (napr. metán). Plamene spolu s horúcimi produktmi spaľovania zvyšujú riziko spätného ťahu. K tomu dochádza, keď do miestnosti vnikne čerstvý vzduch s normálnou koncentráciou kyslíka. Prenikajúci vzduch zriedi zmes horúcich plynov pod hornú hranicu výbušnosti. Nič potom nebráni výbuchu zmesi horľavých plynov a pár v zasiahnutej miestnosti.

Treba mať na pamäti, že k spätnému ťahu môže dôjsť všade tam, kde požiar vzniká v miestnosti bez možnosti ďalšieho prívodu vzduchu počas požiaru (pivnice, byty so zatvorenými oknami atď.). Akékoľvek porušenie tesnosti takejto miestnosti môže mať za následok výbuch. Varovné príznaky nebezpečenstva spätného ťahu sú: slabé alebo žiadne plamene, žltosivý až čierny dym, kúdoly dymu unikajúce malými netesnosťami (napríklad malými netesnosťami z miestnosti), extrémne sálavé teplo, rachotenie okenných tabúľ, svišťanie vzduchu prúdiaceho malými netesnosťami (napr. okennými alebo dvernými škárami) do horiacej miestnosti, výrazné prúdenie vzduchu do miestnosti pri otvorení okien alebo dverí.

Čiastočnou ochranou alebo znížením sily spätného ťahu je vytvorenie vetracích otvorov v najvyššom bode ohrozenej budovy. To umožňuje únik nebezpečných zahriatych plynov do okolitého prostredia a znižuje riziko výbuchu v miestnosti.

Rollover predstavuje rýchle šírenie plameňa pod stropom na veľké vzdialenosti, najmä v úzkych dlhých priestoroch (obrázok 2.14). Vyznačuje sa vysokou teplotou pod stropom a horením až do úplného vyhorenia v dôsledku styku s kyslíkom.

Obr. 2.14 Rollover

V počiatočnej fáze požiaru je vo vzduchu zvyčajne dostatok kyslíka. Pri horení vzniká najmä vodná para a oxid uhličitý, v menšom množstve aj oxid uhoľnatý a oxid siričitý. Teplota v miestnosti zasiahnutej požiarom mierne stúpne (približne o 40 °C) a teplota plameňa je približne 500 °C. K rolloveru dochádza vtedy, keď sa v počiatočnom štádiu požiaru pri strope horiacej miestnosti nahromadí veľké množstvo horľavých plynov. Tieto veľmi zahriate plyny sú produktmi horenia vytláčané z horiaceho priestoru do okolia, kde sa miešajú s kyslíkom vo vzduchu. Ak koncentrácia horľavých plynov dosiahne hranicu horľavosti, vzplanú a požiar sa rýchlo rozšíri. Plamene sa šíria vysokou rýchlosťou na úrovni stropu do veľkých vzdialeností, až kým nevyhoria všetky vznikajúce horľavé plyny. Zasahujúci hasiči sa preto musia pohybovať v ohrozených oblastiach blízko pri zemi a s maximálnou opatrnosťou. Počas hasenia je dôležité sústrediť sa na uhasenie ohniska, pretože k rolloveru dochádza len pri intenzívnom vývine horľavých plynov a pár

Zhrnutie

Vznik, priebeh a výsledok horenia závisí od skupenstva paliva, množstva oxidovadla. Priebeh požiaru môžeme rozdeliť v závislosti od vybraných kritérií, ktorými môže byť podstata prebiehajúcich procesov, charakteristika paliva, dostupnosť kyslíka, teplota, výmena plynov cez otvory, priestorové vzplanutie. Za určitých podmienok prevažujú nelineárne formy rozvoja a šírenia sa požiaru, najbežnejšie sú flashover, backdraft a rollover.

Kontrolné otázky

1. Aký rozdiel medzi homogénnym a heterogénnym horením?

2. Aký rozdiel medzi dokonalým a nedokonalým horením?

3. Aký je rozdiel medzi plameňovým a bezplameňovým horením?

4. Aké druhy plameňa rozoznávame?

5. Aký je principiálny rozdiel medzi požiarom riadeným palivom a požiarom riadeným ventiláciou?

6. Aké fázy rozvoja požiaru rozoznávame?

7. Aké procesy prebiehajú vo fáze iniciácie a rozvoja požiaru?

8. Aké procesy prebiehajú vo fáze flashover a plne rozvinutý požiar

9. Ktoré faktory majú významný vplyv na rozvoj vnútorného požiaru?

10. Vymenujte a stručne charakterizujte vybrané formy nelineárneho šírenia požiaru

Použitá literatúra

1. Babrauskas. Y. Ignition Handbook: Principles and Applications to Fire Safety Engineering, Fire Investigation, Risk Management and Forensic Science Issaquah WA: Fire Science Publishers, 2003, 1116 p.

2. Custer, R. Dynamics of Compartment Fire Growth NFPA Príručka požiarnej ochrany, 19th edition, 2003. p.

3. Drysdale, D. 1999. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1999, 451 s.

4. Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p.

5. F.I.R.E. Enclosure Fire Dynamics. Dostupné online. (Cit. 21.05.2022)

6. Karlsson, B., Quintiere, J.G. 2000. Enclosure fire dynamics. Boca Raton: CRC Press, 2000, 336 p

7. National Fire Protection Agency. NFPA Glossary of Terms. NFPA. Quincy: NFPA, 2013.

Doplnkové študijné zdroje

1. Dokonalé vs. nedokonalé horenie

2. Samovznietenie a samozahrievanie

3. Rozsah horľavosti.

4. Typy plameňov

5. Fázy rozvoja požiaru.

3. FÁZA INICIÁCIE POŽIARU

Keď hovoríme o tom, ako vzniká požiar, používame pojem zdroj požiaru. Zdroj požiaru sa používa ako označenie objektu, ktorý spôsobil požiar. Vnútorný požiar alebo požiar v uzavretých priestoroch môže byť vyvolaný takými predmetmi, akými sú varná doska, rádio, televízor, sviečky alebo žehlička. Hovoríme tiež o príčine vzniku požiaru. Tromi najčastejšími príčinami vzniku vnútorných požiarov sú komíny, úmyselne založené požiare a varné dosky ponechané bez dozoru. Časté sú však aj technické poruchy. V prípade požiarov, pri ktorých došlo k usmrteniu osôb, je najčastejším predmetom posteľná bielizeň. Je to spôsobené tým, že najčastejším spúšťačom požiarov v prípade týchto požiarov sú cigarety. Medzi ďalšie obvyklé príčiny, ktoré vedú k úmrtiu ľudí, patrí ich oblečenie, ktoré sa vplyvom okolností vznietilo. [1]

V tejto kapitole sú uvedené poznatky, ktoré Vám umožnia poznať a pochopiť faktory ovplyvňujúce

iniciáciu vnútorného požiaru až do fázy vzniku ustáleného horenia, ktoré umožní rozšírenie požiaru do priestoru. Je dôležité pochopiť tieto procesy, ktoré vedú k zvýšeniu intenzity požiaru

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Opísať procesy a faktory majúce vplyv na zapálenie pevného materiálu pri vnútorných požiaroch

 Charakterizovať princípy a opísať priebeh plameňového horenia a tlenia pri vnútorných

požiaroch

 Určiť faktory a vysvetliť ich vplyv, ktorý majú pri vnútorných požiaroch, na rýchlosť šírenia plameňa po povrchu pevných materiálov

 Vysvetliť spôsob akým tepelná inercia ovplyvňuje dynamiku rozvoja vnútorného požiaru.

Kľúčové slová: horenie, plameňové horenie, šírenie plameňa, tepelná inercia, teplota zapálenia, tlenie, zapálenie.

3.1. Teoretické východiská

Východiskovým momentom je, keď dôjde k zapáleniu objektu. Rozhodujúcim faktorom je, či má predmet dostatok paliva sám o sebe, alebo sa nachádza nejaké v jeho blízkosti. Ak sa požiar nerozšíri, zostane pod kontrolou paliva a vyhorí, čím dôjde k jeho uhaseniu.

Ak je požiar riadený palivom, uvoľňovanie tepla je riadené prístupom k palivu. V takejto situácii je teda dostatok kyslíka na to, aby sa všetko palivo mohlo rozhorieť. Na druhej strane, keď je oheň riadený ventiláciou, uvoľňovanie tepla riadi množstvo kyslíka a nepriamo aj veľkosť otvoru. Usporiadanie paliva je tiež rozhodujúce pre správanie sa požiaru.

Akonáhle sa vytvoria podmienky pre šírenie požiaru, zvýši sa aj rýchlosť uvoľňovania tepla. Teplo z počiatočného požiaru potom spôsobí zapálenie ďalších predmetov. Zapálenie predmetu je kľúčové pre

vznik požiaru. Z hľadiska jeho rozšírenia má významnú úlohu aj šírenie plameňa, ktorý vzniká pri horení materiálu. Vo väčšine prípadov rýchlosť uvoľňovania tepla z jedného predmetu nestačí na to, aby požiar spôsobil priestorové vzplanutie.

O iniciácii horenia alebo vzniku požiaru zvyčajne hovoríme v súvislosti so zdrojom, ktorý požiar inicioval. Pri vnútorných požiaroch ním môže byť napríklad pohovka alebo sviečka na stole (obr. 3.1).

Prvotnou príčinou požiaru môže byť v prípade pohovky napríklad cigareta, od ktorej sa zapáli.

Obr. 3.1 Iniciácia požiaru na pohovke [1]

Z hľadiska propagácie požiaru tesne po jeho iniciácii (zapálení) existujú teoreticky dve cesty, ktorými sa môže požiar uberať, t. j. buď sa bude rozvíjať alebo ustúpi, t. j. postupne dôjde k jeho samouhaseniu, viď obr. 3.2.

Obr. 3.2 Dve možnosti vývoja požiaru – rozvoj požiaru alebo jeho uhasínanie [1]

Uhasínanie požiaru (obr. 3.3) je z taktického hľadiska veľmi ľahko zvládnuteľné. V priestore sa často

vyskytujú splodiny horenia, avšak samotný požiar nie je ťažké uhasiť. Tieto situácie sa najčastejšie

vyskytujú pri vnútorných požiaroch vznikajúcich v domácnostiach

Zložitejšia situácia nastáva, keď sa požiar rozšíri (obr.

Pre ďalší rozvoj požiaru je dôležité usporiadanie paliva v priestore a jeho charakteristika. Pórovité materiály a materiály na báze dreva tvoriace zariadenie miestnosti prispievajú k rýchlemu rozvoju požiaru.

Veľmi rýchle šírenie požiaru niekedy spôsobujú plasty, pretože odkvapkávajú a vytvárajú na podlahe horiace kaluže.

V nasledovnej časti si priblížime problematiku zapálenia pevných materiálov.

3.2. Zapálenie pevného materiálu pri vnútorných požiaroch

Zapálenie je prvým viditeľným znakom horenia. Horľavý materiál sa môže samovoľne vznietiť v dôsledku vysokej teploty alebo ho môže zapáliť vonkajší zdroj, napríklad zápalka alebo iskra. V prípade pevných materiálov existuje kritická teplota, pri ktorej dochádza k zapáleniu. Tá sa však vo všeobecnosti líši v závislosti od horiaceho materiálu, a preto ju nemožno použiť ako ukazovateľ horľavosti. Pri pevných materiáloch musí byť povrch zahriaty na 300 – 400 °C, aby došlo k zapáleniu pomocou skúšobného plameňa. Ak v blízkosti nie je žiadny zdroj horenia, povrchová teplota musí byť vyššia. Drevo musí dosiahnuť povrchovú teplotu 500 – 600 °C, aby sa samovoľne zapálilo.

Zápalnosť pevných materiálov sa odhaduje pomocou času, ktorý je potrebný na to, aby došlo k zapáleniu. K zapáleniu dôjde, keď sa nad povrchom pevného materiálu nahromadí dostatočné

Obr. 3.3 Uhasínanie požiaru pohovky [1]

3.4)

Obr. 3.4 Rozvoj požiaru pohovky [1]

množstvo horľavých plynov, aby sa mohli zapáliť malým plameňom. Materiály ako drevo alebo papier (organické polyméry) potrebujú uvoľniť aspoň 2 g∙m-2∙s-1 horľavých plynov, aby boli došlo k ich zapáleniu Pokiaľ ide o plasty (syntetické polyméry), ktoré majú vysoký obsah energie, potrebujú uvoľniť približne 1 g∙m-2∙s-1 horľavých plynov, ktoré stačí na ich zapálenie.

Obrázok 3.5 znázorňuje, čo sa deje na povrchu paliva, keď je materiál vystavený vonkajšej radiácii (tepelnému žiareniu). Teplota sa vplyvom radiácie zvýši na požadovanú úroveň aby materiál pyrolyzoval. Pyrolýza zahŕňa rozklad paliva. Tento proces si vyžaduje, aby vonkajšia radiácia bola na určitej úrovni. Ak je úroveň radiácie príliš nízka, materiál sa nikdy nebude schopný zapáliť.

Obr 3.5. preukazuje, že povrchovo upravené borovicové drevo sa zapáli až po uplynutí veľmi dlhého času, ak je intenzita radiácie nižšia ako 20 kW∙m-2. V porovnaní s tým sa neupravené borovicové drevo pri rovnakej úrovni radiácie zapáli už za 7 minút. Intenzita radiácie na úrovni 20 kW∙m-2 zodpovedá úrovni radiácie vyžarovanej vrstvou dymu pri teplote približne 500 °C. Zápalnosť pevných materiálov možno preto odhadnúť pomocou času, ktorý je potrebné vynaložiť na to, aby určité tepelné zaťaženie spôsobilo iniciáciu horenia.

Obr. 3.5 Intenzita žiarenia ako funkcia času vznietenia [1]

Realizované experimenty (obr. 3.5) ukázali, aké množstvo tepla je potrebné na to, aby sa určitý materiál mohol zapáliť aj pri malom plameni. To sa dá zmerať pomocou zariadenia nazývaného kónický kalorimeter (3.6). Materiál sa v ňom umiestni pod kónický žiarič, ktorý vyžaruje istú intenzitu žiarenia. Na vrchu vzorky je umiestnený generátor iskier, ako iniciačný zdroj. Meria sa čas, kým sa materiál zapáli.

Obr. 3.6 Schéma súčastí kónického kalorimetra [5]

V materiáli s nízkou tepelnou inerciou (zotrvačnosťou) sa povrch zahrieva rýchlo, zatiaľ čo materiál s vysokou hodnotou tepelnej inercie sa zahrieva pomaly. V tabuľke 3.1 sú uvedené rozdiely v tepelnej inercii pre rôzne materiály.

Tab. 3.1 Rôzne hodnoty tepelnej inercie pre rôzne materiály

Vychádzajúc z údajov uvedených v tab. 3.1 môžeme napríklad porovnať čas, ktorý potrebuje na zapálenie drevotriesková doska a drevovláknitá doska. Oba materiály sú vystavené rovnakej konštantnej

úrovni radiácie, 20 kW∙m-2. Drevotriesková doska sa v tomto prípade zapáli po 180 s. Drevovláknitá doska, ktorá má oveľa nižšiu hodnotu tepelnej inercie, sa však vznieti (zapáli) za podstatne kratší čas, len za 50 s. Experiment sa uskutočnil pomocou kónického kalorimetra.

Ďalej uvádzame postup stanovenia teploty povrchu pevných materiálov a času zapálenia.

Povrchovú teplotu pevného materiálu Ts možno vypočítať pomocou rovnice (3 1), ktorá vychádza zo všeobecnej rovnice tepelnej vodivosti Táto rovnica bola trochu zjednodušená, ale stále je vhodná pre na daný účel.

kde:

Ts – povrchová teplota paliva (°C)

Ti – počiatočná teplota povrchu paliva (°C)

�� " – dodané teplo (kW)

k – tepelná vodivosť (W m-2)

ρ – hustota (kg m-3)

c – hmotnostná tepelná kapacita (J∙kg-1° ∙C-1)

t – čas (s)

Čas vznietenia (ta) možno vypočítať aj pomocou rovnice 3.2, ktorá je transformáciou rovnice 3.1. V rovnici sa neuvažuje s hodnotami tepelného odporu na povrchu. Teplota vznietenia sa nachádza

väčšinou v rozmedzí 300 °C - 400 °C. Keď je známa teplota vznietenia Tsa, je možné vypočítať čas vznietenia

Vezmite si ako príklad miestnosť, v ktorej došlo k flashoveru. Ak je teplota v miestnosti približne 600 °C, všetky povrchy budú ovplyvnené radiáciou v rozsahu 30 kW∙m-2. Ak počítame čas potrebný na zapálenie napríklad horľavej drevotrieskovej dosky, je potrebné vykonať nasledujúce výpočty (3.3) za predpokladu, že teplota vznietenia Tsa má hodnotu 400 °C. Hodnota k ρ c je prevzatá z tab. 3.1.

V tomto prípade ide o hrubý odhad, ktorý nemožno považovať za presnú hodnotu. V skutočnosti sa materiál zahrieva v rovnakom čase, ako sa povrch ochladzuje, pretože určité množstvo žiarenia opúšťa povrch. Ak sa vopred rozhodnete, že povrch by sa nemal zahrievať nad určitú teplotu, môžete vypočítať čas, počas ktorého môže byť povrch vystavený určitému množstvu, t. j. určitému množstvu dopadajúceho žiarenia, kým nedosiahne vopred nastavenú teplotu.

3.3. Plameňové horenie a tlenie pri vnútorných požiaroch

Horenie plynov a kvapalín patrí do plameňového horenia, zatiaľ čo pevné materiály môžu horieť oboma typmi horenia. Plameňovému horeniu sa budeme venovať v nasledujúcej kapitole (kap. 4), a preto sa v tejto časti zameriame na skúmanie tlenia.

Tlejúce horenie môže nastať na povrchu alebo vo vnútri porézneho materiálu, keď má prístup ku kyslíku, čo umožňuje pokračovanie procesu oxidácie. Teplo môže dokonca zostať vo vnútri porézneho materiálu a podporovať proces pyrolýzy, až kým nedôjde k prípadnému samovznieteniu.

Tlejúce požiare preto môžu viesť až k úmrtiu ľudí. Tlenie alebo samovznietenie je bežné pri čalúnenom nábytku. Požiar sa začína tým, že bavlnená alebo viskózna látka začne tlieť na vrstve polyuretánovej výplne, zapálená napríklad cigaretou.

Tento typ výplňového materiálu veľmi dobre odoláva tlejúcim materiálom bez poťahu. V čalúnenom nábytku sa však rôzne materiály kombinujú takým spôsobom, že vrstva textílie začne tlieť a odtiaľ tlenie postupuje ďalej. Kým textília tlie, molitan začne tlieť aj pyrolyzovať. Pyrolýza polyuretánových pien sa spája s produkciou dymu. Rýchlosť úbytku hmotnosti textílie sa zvyšuje a uvoľňuje sa zvýšený počet produktov pyrolýzy. To má za následok, že celý kus čalúneného nábytku sa zapáli.

Požiare charakteristické tlením môžu často vzniknúť vo vnútri konštrukcií, čo potom veľmi sťažuje ich zdolávanie. V takomto prostredí s nedostatkom kyslíka nemôže vzniknúť plameň, ale horľavé plyny môžu byť transportované preč a zapáliť sa na iných miestach.

Tlejúci požiar horí veľmi pomaly, čo znamená, že môže trvať dlho.

Existuje len niekoľko látok, ktoré môžu tlieť. V skutočnosti sú však pomerne bežné. Jedným z nich je napríklad drevené uhlie. Okrem dreveného uhlia existujú aj látky, ktoré pri horení produkujú uhlík, ako napríklad drevo. Patria sem dokonca aj niektoré kovy, ako napríklad železný prach.

3.4.Rýchlosť šírenia plameňa po povrchu pri vnútorných požiaroch

V tejto kapitole sa používa výraz šírenie plameňa v zmysle počiatočného šírenia plameňa, t. j. keď sa začne horieť. Je zrejmé, že k šíreniu plameňa dochádza rovnakým spôsobom aj v miestnosti, ktorá je na pokraji fázy flashover. K šíreniu plameňa môže dôjsť aj vo vrstve plynu. Plamene sa formujú ďaleko od miesta nahromadených plynov pyrolýzy

Na šírenie plameňa sa možno pozerať aj ako na sériu súvislých zápalných procesov. Keďže zapálenie výrazne závisí od tepelnej inercie materiálu, ktorú sme už spomenuli, plameň bude závisieť aj od hodnoty tepelnej inercie materiálu.

Rýchle šírenie plameňa môže prispieť k zväčšeniu plochy požiaru a následne aj k zvýšeniu rýchlosti uvoľňovania tepla. To môže postupne viesť k veľmi nebezpečnej situácii. Preto je veľmi dôležité objasniť, ktoré faktory majú vplyv na šírenie plameňa.

Na obr 3.7. je znázornené, čo sa deje na povrchu, keď horí stena. Stenu možno rozdeliť na tri časti. V spodnej časti dominuje prenos tepla na povrch prostredníctvom konvekcie. V strednej časti je hlavným faktorom vyžarovanie (radiácia) plameňa, čo je spôsobené tým, že šírka plameňa sa zväčšuje s výškou.

Obr. 3.7 Šírenie plameňa po stene [1]

Čím je plameň širší, tým viac tepla sa odovzdáva prostredníctvom žiarenia. V hornej časti sa stena ešte nezapálila. Na obr 3.7 dĺžka šípok zodpovedá veľkosti jednotlivých zložiek. Rýchlosť, akou sa plamene šíria po povrchu materiálu, závisí najmä od nasledujúcich faktorov:

 tepelná zotrvačnosť materiálu,

 orientácia povrchu materiálu,

 geometria povrchu,

 okolité prostredie

3.4.1. Tepelná inercia

Rýchlosť šírenia plameňa do značnej miery závisí od času vzplanutia, ktorý zase do veľkej miery závisí od tepelnej inercie (zotrvačnosti) materiálu (k ρ c), čo je vlastnosť materiálu. Čím väčšiu tepelnú zotrvačnosť materiál má, tým pomalšie sa plameň šíri po jeho povrchu.

V prípade pevných materiálov sa súčiniteľ tepelnej vodivosti (k) zvyšuje najčastejšie s rastúcou hustotou. Vo väčšine prípadov hustota určuje, ako rýchlo sa plamene šíria po povrchu. To znamená, že rýchlosť šírenia plameňa po povrchu hustého materiálu je zvyčajne pomalšia ako rýchlosť šírenia plameňa po povrchu ľahkého materiálu. Napríklad v prípade molitanov sa plamene môžu šíriť extrémne rýchlo.

Na obr. 3.8 je uvedený príklad šírenia plameňa po materiáli s vyššou hustotou a po materiáli s nižšou hustotou.

Obr. 3.8 Šírenie plameňa po materiáli s nižšou hustotou (na ľavej strane) a po materiáli s vyššou hustotou (vpravo) [1]

3.4.2. Orientácia povrchu materiálu Šírenie plameňa nahor je rýchlejšie, než šírenie plameňa smerom nadol, ktoré je oveľa pomalšie, čo je spôsobené tým, že povrch sa nezahrieva rovnakým spôsobom. Medzi nimi sa rýchlosť mení v závislosti od sklonu povrchu.

V prípade vertikálneho šírenia plameňa smerom nahor (obr. 3.9) je výška plameňa pri šírení plameňa smerom nahor pri mnohých materiáloch, ako sú drevovláknité a drevotrieskové dosky, za rovnaký čas približne dvakrát väčšia ako pri šírení smerom nadol

Obr. 3.9 Schéma znázorňujúca šírenie požiaru smerom nahor [1]

To znamená, že ak trvá 30 s, kým sa výška plameňa 25 cm zväčší na 50 cm, potom plameň s výškou

1 m sa za približne rovnaký čas zväčší na 2 m, platí to pokiaľ je materiál steny rovnaký. Túto hodnotu však treba považovať len za približnú.

Rovnaká situácia platí pre šírenie plameňa pozdĺž spodnej strany vodorovnej plochy ako v prípade vertikálneho šírenia plameňa smerom nahor. Na rozdiel od toho šírenie plameňa po hornej časti vodorovného povrchu alebo smerom nadol po zvislom povrchu možno opísať ako "plazivé", pretože je pomalšie ako šírenie plameňa smerom nahor.

Šírenie plameňa vo všetkých smeroch je uvedené na obr. 3.10. Najrýchlejšie sa plameň šíri vertikálne smerom nahor a horizontálne pozdĺž stropu.

Obr. 3.10 Šírenie plameňa vo všetkých smeroch [1]

3.4.3. Geometria povrchu

V rohu dochádza k interakcii medzi oboma horiacimi plochami (obr. 3.11), čo zvyšuje rýchlosť šírenia. Čím menší je uhol medzi horiacimi plochami, tým rýchlejšie šírenie plameňa. Je to spôsobené tým, že teplo, ktoré potom zahrieva materiál, sa kumuluje v rohu. Splodiny horenia (dym), ktoré sa tvoria, sa zahrievajú tak, že menšie množstvo vzduchu sa nasáva do vzostupného prúdu spalín

Vzájomné spolupôsobenie plameňov v rohu (obr. 3.11) spôsobuje, že rýchlosť šírenia plameňa je rýchlejšia v porovnaní s prípadmi, keď sa plameň vyskytuje v strede steny.

Obr. 3.11 Vzájomné spolupôsobenie plameňov v rohu [1]

3.4.4. Okolité prostredie

Keď sa zvýši teplota okolia, zvýši sa aj rýchlosť šírenia požiaru. Povrch sa zahrieva a teplota zapálenia sa dosahuje rýchlejšie. Čím vyššia je teplota na začiatku horenia, tým rýchlejšia bude aj rýchlosť šírenia plameňa.

Ďalším dôsledkom je, že čím vyššiu teplotu má materiál na začiatku horenia, tým rýchlejšie sa na povrchu vytvorí dostatok horľavých plynov.

Na obr. 3.12 je znázornený príklad scenára, v ktorom vrstva dymu ohrieva materiál stropu už dlhšiu dobu. V čase, keď plamene dosahujú pozdĺž steny až nahor, stropný materiál je už zohriaty. To predznamenáva, že šírenie plameňov bude veľmi rýchle.

Zhrnutie

Horenie je proces chemickej reakcie, pri ktorej dochádza k oxidácii paliva. Prvým viditeľným znakom horenia je zapálenie. Keď sa pevné materiály zapália, takmer súčasne dochádza k šíreniu plameňa, čo možno považovať za sériu zápalných reakcií. V prípade pevných materiálov je daná kritická teplota, pri ktorej dochádza k zapáleniu. Tá však vo všeobecnosti nezávisí od toho, aký materiál horí, a preto povrchovú teplotu nie je možné použiť ako ukazovateľ zapáliteľnosti. Pri pevných materiáloch musí byť povrch zahriaty až na 300 až 400 °C, aby došlo k zapáleniu pomocou skúšobného plameňa. Ak sa v blízkosti materiálu (paliva) nenachádza plameňový zdroj, aby došlo k zapáleniu materiálu, jeho povrch musí dosiahnuť teplotu 500 až 600 °C (napr. drevo).

Horľavosť u tuhých materiálov sa odhaduje na základe času, ktorý je potrebný na zapálenie.

Kombinácia vlastností reprezentovaná k ρ c sa vzťahuje na tepelnú zotrvačnosť materiálu a určuje, ako

rýchlo sa povrch materiálu zahrieva. Povrch materiálu s nízkou tepelnou zotrvačnosťou sa zahrieva rýchlo, zatiaľ čo povrch materiálu s vysokou k ρ c sa zahrieva pomaly. Čím nižšiu hodnotu k ρ c materiál

Obr. 3.12 Šírenie plameňa všetkými smermi [1]

má, tým kratší je čas iniciácie. To znamená, že porézna drevovláknitá doska sa zapáli rýchlejšie ako drevotriesková doska.

Proces horenia možno v skutočnosti rozdeliť na plameňové horenie a tlenie. Tlenie môže vzniknúť na povrchu alebo vo vnútri poréznych materiálov, kde je zaistený prístup kyslíka.

V prípade mnohých zaznamenaných požiarov bolo rýchle šírenie plameňa príčinou následných závažných dôsledkov. Rýchlosť šírenia plameňa závisí od viacerých faktorov, najmä od tepelnej zotrvačnosti materiálu, geometrie povrchu, okolitého prostredia a smeru povrchu.

Rýchlosť šírenia plameňa závisí od viacerých faktorov, najmä od tepelnej zotrvačnosti materiálu, geometrie povrchu, okolitého prostredia a smeru povrchu. Rýchlosť šírenia plameňa je pomerne pomalá na povrchu z materiálu s vysokou tepelnou zotrvačnosťou, ktorý má najčastejšie vysokú hustotu. To znamená, že šírenie plameňa po povrchu ťažkého materiálu je zvyčajne pomalšie ako šírenie po povrchu ľahkého materiálu. Ak bol materiál zahriaty napríklad teplými okolitými plynnými látkami alebo sálaním z vrstvy dymu, materiál môže pomerne rýchlo dosiahnuť teplotu vznietenia. To znamená, že povrchy, ktoré sú zahriate, vedú aj k rýchlejšiemu šíreniu plameňa ako nezasiahnuté povrchy.

Smer povrchu a plameňov je tiež kľúčovým faktorom rýchlosti šírenia plameňa pri šírení požiaru. Je to najmä vertikálne šírenie plameňa smerom nahor a šírenie plameňa po povrchu stropu v priestore, ktoré spôsobuje rýchly rozvoj požiaru.

Keď rozdiel v hustote a prúdenie vzduchu tlačí plamene smerom nahor, plamene z horiaceho materiálu zohrievajú časť materiálu, ktorá ešte nezačala pyrolyzovať.

Smer povrchu a plameňov je tiež kľúčovým faktorom rýchlosti šírenia plameňa pri šírení požiaru. Je to najmä vertikálne šírenie plameňa smerom nahor a šírenie plameňa po povrchu stropu v priestore, ktoré spôsobuje rýchly rozvoj požiaru. Šírenie plameňa v priestore po strope môže tiež spôsobiť rýchly rozvoj požiaru. Sú na to dva dôvody: Po prvé, prúdenie vzduchu tlačí plamene dopredu a po druhé, povrch stropu sa značne zohrial horúcimi splodinami horenia, ktoré sa nahromadili v oblasti stropu. Horizontálne šírenie plameňov smerom nadol, pozdĺž spodnej časti stien v priestore prebieha oveľa pomalšie. V určitých prípadoch, keď sa požiar blíži k flashoveru, sa však plamene môžu veľmi rýchlo šíriť smerom nadol, pretože povrch sa zahrieva sálaním. V tejto kapitole sme sa zaoberali len šírením plameňa vo vzťahu k pevným materiálom Šírenie plameňa pevnými materiálmi aj vo vrstve splodín horenia je z hľadiska šírenia požiaru rozhodujúce. Šírenie plameňa pozdĺž spodnej strany vrstvy dymu je veľmi častým znakom toho, že sa v požiarnom priestore niečo mení.

Kontrolné otázky

1. Predpokladajme, že povrch materiálu je zahrievaný zdrojom tepla. Aký horúci musí byť povrch, aby sa vznikajúce plyny mohli zapáliť?

2. Porovnajte dva materiály, napríklad drevotrieskovú dosku a drevovláknitú dosku. Ktorý materiál má najrýchlejšiu rýchlosť šírenia plameňa? Od čoho to závisí?

3. Aká je skratka pre tepelnú inerciu? Čo znamenajú jednotlivé písmená v skratke? Vymenujte niektoré materiály s veľkou tepelnou inerciou.

4. Uveďte niekoľko príkladov z každodenného života na jednotlivé druhy prenosu tepla.

5. Uveďte niekoľko faktorov, ktoré majú vplyv na rýchlosť šírenia plameňa.

6. V ktorom smere (smeroch) sa plamene šíria najrýchlejšie? Prečo je tomu tak?

7. V miestnosti horí a teplota v miestnosti sa blíži k 500-600 °C. Odhadnite, ako dlho bude trvať, kým sa zapáli drevotrieska, ak sa v priestore nachádza zdroj zapálenia.

8. Prečo sú vedomosti o šírení plameňa také dôležité pre hasičov? Uveďte príklady.

9. Predpokladajme, že povrch je zahrievaný vonkajším zdrojom tepla. Neexistuje žiadny zdroj iniciácie Akú teplotu musí povrch dosiahnuť, aby sa plyny mohli samovznietiť?

10. Vymenujte príklady materiálov, ktorých povrch má veľmi rýchlu rýchlosť šírenia plameňa.

Použitá literatúra

1. Bengtson L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p.

2. Drysdale, D. 1999. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1999, 451 s.

3. F.I.R.E. Enclosure Fire Dynamics. Dostupné online. (Cit. 21.05.2022)

4. Kačíková, D., Majlingová, A., Veľková, V., Zachar, M. Modelovanie vnútorných požiarov s využitím výsledkov progresívnych metód požiarneho inžinierstva. 1. vyd. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2017, 147 s.

5. Karlsson, B., Quintiere, J.G. 2000. Enclosure fire dynamics. Boca Raton: CRC Press, 2000, 336 p.

6. Ondrus, J. Brandförlopp (Fire development). Lund: Institutionen för brandteknik, Lunds Universitet, Lund, 1990, 19 p.

4. DYNAMIKA POŽIARU V POČIATOČNEJ FÁZE ROZVOJA

V predchádzajúcich kapitolách sú opísané fyzikálne procesy súvisiace s iniciáciou a šírením požiaru.

Táto kapitola je venovaná chemickým procesom, ktoré zohrávajú významnú úlohu pri vzniku požiaru a umožňujú jeho šírenie. Príslušné chemické procesy môžu byť zložité, ale v mnohých prípadoch sú pre hasičov ľahšie identifikovateľné ako fyzikálne procesy. Mnohé z chemických procesov, o ktorých pojednáva táto kapitola sa samozrejme vyskytujú aj v iných fázach rozvoja požiaru.

Aby bolo možné vykonať hasiaci zásah čo najefektívnejšie, je dôležité mať dostatočné vedomosti o procesoch, ktoré prebiehajú v počiatočnom štádiu rozvoja požiaru. Procesy, ktoré v tejto fáze prebiehajú v priestore požiaru, sú veľmi zložité. Stále sa jedná o požiar riadený palivom, čo znamená, že je tu dostatočný objem kyslíka na to, aby zhorelo všetko palivo. Na to nemá vplyv to, či je miestnosť otvorená alebo zatvorená, pretože množstvo kyslíka v miestnosti je dostatočné na podporu horenia

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Opísať procesy prebiehajúce v uzavretom priestore vo fáze rozvoja požiaru až do vzniku flashoveru

 Charakterizovať vzostupný prúd spalín vznikajúci pri požiari, ich obsah z pohľadu nespálených

plynov, vplyv chemických reakcií v nich a odhadnúť výťažok týchto spalín.

 Vymenovať a charakterizovať parametre plameňa, ktoré významným spôsobom ovplyvňujú správanie sa požiaru v počiatočnej fáze rozvoja

 Vedieť charakterizovať rýchlosť uvoľňovania tepla a opísať jej priebeh a vplyv na rozvoj požiaru v počiatočnej fáze.

Kľúčové slová: difúzne plamene, nespálené plyny, obsah spalín, prúd spalín, rýchlosť plameňa, rýchlosť uvoľňovania tepla, vopred zmiešané (predzmiešané) plamene, výťažok spalín.

4.1. Teoretické východiská popisu požiaru vo fáze rozvoja

až po fázu

flashover

V tejto fáze s pribúdajúcim palivom (šírenie požiaru na palivo dostupné v blízkosti už horiaceho paliva) narastá aj intenzita požiaru. Konvekcia a radiácia šíria plamene smerom nahor a smerom od pôvodného paliva, až kým okolité palivá nedosiahnu teplotu zapálenia a nezačnú horieť. Teplo vyžarujúce z plameňov môže začať spôsobovať, že aj ostatné palivá dosiahnu teplotu zapálenia, čím sa požiar rozšíri do všetkých strán. Rýchlosť tohto šírenia do strán veľmi závisí od toho, ako blízko sú ostatné zdroje paliva a od ich fyzikálneho usporiadania. Čím bližšie sú k sebe, tým rýchlejšie sa požiar šíri a rastie rýchlosť uvoľňovania tepla. Kým počiatočný požiar nedosiahne strednú veľkosť (približne 200 kW), je sálavý prenos tepla na cieľové povrchy aj v malej vzdialenosti (0,5 m) minimálny a väčšina šírenia požiaru je

riadená konvekčným prenosom tepla nad požiarom a priamym kontaktom s plameňom. Prenos tepla radiáciou na zvislý povrch smerujúci k požiaru je vyvážený konvekčným prenosom z tohto povrchu do vzduchu v miestnosti, čím sa znižuje jeho čistý príjem. Povrch nad plameňom (alebo v kontakte s ním) nebude mať rovnaké konvekčné tepelné straty, takže sa bude rýchlejšie zohrievať.

Horúce plyny vznikajúce pri požiari vytvárajú vrstvu pri strope. Teplota tejto vrstvy stúpa (rýchlosťou, ktorá závisí od rýchlosti uvoľňovania tepla pri požiari, veľkosti miestnosti a od toho, ako dobre sú strop a steny izolované), keď požiar pokračuje vo svojom šírení. Táto horná vrstva miestnosti s nízkym obsahom kyslíka, vysokou teplotou a sadzami, dymom a čiastočne spálenými produktmi pyrolýzy (vrátane toxických plynov, ako je oxid uhoľnatý, kyanovodík, chlorovodík, akroleín a voľné radikály) sa teraz veľmi líši od vrstvy pri podlahe. Vrstva pri podlahe je stále relatívne chladná a obsahuje čerstvý vzduch (s koncentráciou kyslíka blízkou normálu). V miestnosti je stále možné prežiť, ak človek zostane v chladnejšej spodnej vrstve a nebude dýchať plyny vyššie. Ak je vetranie miestnosti obmedzené, plamene budú produkovať viac neúplne spálených hmôt vrátane produktov pyrolýzy, oxidu uhoľnatého a pevných palív, ktoré možno pozorovať ako sadze a dym. Hladina tejto vrstvy bohatej na palivo v miestnosti klesá čoraz nižšie (prehlbuje sa) a pri pokračujúcom požiari a rastúcich plameňoch sa zvyšuje aj jej teplota. Ak sa vrstva prehĺbi tak, že dosiahne úroveň požiaru v miestnosti, znižuje sa v nej obsah kyslíka, čím sa zníži aj rýchlosť horenia, prípadne sa uhasí akékoľvek plameňové horenie Masa horľavých plynov, aerosólov, sadzí a dymu sa hromadí, často dovtedy, kým jedno alebo viacero palív prítomných vo vrstve nedosiahne teplotu zapálenia, a to či už v dôsledku nahromadeného tepla z plameňového horenia, alebo priameho kontaktu s otvoreným ohňom. Vrstva horľavých plynov sa potom zapáli a plamene sa môžu rozšíriť do celej miestnosti v hornej oblasti (vo výške stropu). Tento proces sa často nazýva rollover. Čelo plameňa v rotujúcom oblaku paliva a vzduchu môže dosiahnuť rýchlosť 3 až 5 m∙s-1. Pri plameňovom horení prebiehajúcom v tejto vrstve sa teplota vrstvy pri strope zvyšuje ešte rýchlejšie. Rýchly nárast teploty vrstvy horúcich plynov spôsobuje rozpínanie vrstvy, čím sa vyplní väčšia časť miestnosti. V rámci doteraz realizovaných testov bolo pozorované, že plameňové horenie v obytnej miestnosti spôsobilo, že plamene po zapálení do 7,5 s zaplnili priestor takmer po úroveň podlahy, čo prinútilo hasičov, aby pre svoju bezpečnosť tento priestor opustili

Ďalej sú bližšie priblížené viaceré javy a procesy vyskytujúce sa počas požiaru prebiehajúceho v uzavretom priestore, resp. pri vnútorných požiaroch, ktoré sú predmetom štúdia dynamiky požiaru

4.2. Splodiny horenia a rýchlosť uvoľňovania tepla

Keď požiar v priestore narastá (za súčasného rastu rýchlosti uvoľňovania tepla), vo vrstve dymu prebieha rad zložitých procesov. V niektorých prípadoch sa môžu splodiny horenia (dym) zapáliť. Aby sa

tak stalo, potrebujeme, aby bolo prítomné dostatočné množstvo paliva a kyslíka, ako aj určitý druh

zápalného zdroja.

Ak sa splodiny horenia zapália, požiar sa veľmi rýchlo rozšíri a v niektorých prípadoch sa zvýši aj tlak, čo má vplyv nielen na ľudí, ale aj na stavebné konštrukcie. Plamene môžu ľuďom spôsobiť popáleniny. Vo väčšine prípadov sa však splodiny horenia vznietia nenápadne a kontrolovaným spôsobom.

4.2.1. Prúd spalín

Keď sa tuhé palivo zahrieva, začne uvoľňovať plyny. Tento proces sa nazýva pyrolýza. Pyrolýza sa zvyčajne začína pri teplotách v rozmedzí od 100 do 250 °C. Práve plyny uvoľňované pri pyrolýze začnú horieť, keď sa zmiešajú s kyslíkom. Proces pyrolýzy zahŕňa chemický rozklad alebo chemickú premenu zo zložitých na jednoduchšie zložky. Niektoré plyny, ktoré sa hromadia na povrchu paliva, sa v plameni nespaľujú. Tieto nespálené plyny budú obsiahnuté v prúde spalín a budú obsiahnuté vo vrstve dymových splodín. Na obrázku 4.1 sú uvedené príklady niektorých typov produktov, ktoré sa nachádzajú vo vrstve dymu.

Obr. 4.1 Hlavné produkty nachádzajúce sa v prúde spalín [1]

Prúd spalín (splodín horenia) najčastejšie vzniká, keď sa difúzny plameň šíri po horľavom materiáli. Keďže v zmesi plyny dosahujú rôzne teploty, dochádza k rozdielom v ich hustote. Horúca časť zmesi plynov, ktorá má nižšiu hustotu, bude stúpať nahor vo vzťahu k atmosfére, ktorá predstavuje časť s nižšou teplotou, a teda vyššou hustotou. K tomuto javu dochádza nad zdrojom požiaru.

Prúd spalín je prúd horúceho plynu, ktorý sa vytvára v prirodzenom plameni a nad ním, a stúpa nahor v dôsledku menšej hustoty a vztlaku. Do tohto prúdu je nasávaný okolitý studený vzduch.

Osovo-symetrický plameň a prúd spalín vzniká, ak má difúzny plameň nad horiacim palivom vertikálnu os symetrie. Vzduch je nasávaný horizontálne zo všetkých smerov.

Polomer vzostupného prúdu spalín v určitej výške nad palivom sa označuje b (m). Hmotnostný tok spalín predstavuje celkovú hmotu prenesená v určitej výške nad palivom za jednotku času ���� (kg·s-1).

Teplota prúdu spalín sa určuje v určitej výške nad palivom, najvyššia v osi symetrie (dolný index 0), T0

(°C, K). Rýchlosť vzostupného prúdu je rýchlosťou stúpajúcich plynov, najvyššia je v danej výške je v osi symetrie u0 (m·s-1).

Vlastnosti prúdu spalín závisia najmä od veľkosti požiaru, t. j. od rýchlosti uvoľňovania tepla, ktoré požiar vytvára. Tieto vlastnosti ovplyvňujú ďalší rozvoj požiaru, napríklad z hľadiska toho, ako rýchlo sa budova naplní splodinami horenia a miery tepelného zaťaženia, ktoré musia okolité konštrukcie vydržať.

Teplota a rýchlosť plynu v prúde spalín priamo závisia od množstva tepla generovaného zdrojom požiaru a výšky nad zdrojom požiaru. Zmiešavanie s okolitým vzduchom zvyšuje hmotnostný tok v prúde spalín. Teplota a rýchlosť prúdu spalín klesá s výškou vertikálne.

Splodiny horenia, ktoré vznikajú počas požiaru, sa skladajú z dvoch zložiek.

Prvú zložku, ktorá je z hľadiska hmotnosti a objemu podstatne dominantnejšia, tvorí vzduch, ktorý sa "nasáva" alebo mieša s prúdom plynov a zostáva neovplyvnený chemickými reakciami. To znamená, že množstvo splodín horenia vznikajúcich počas požiaru je vo všeobecnosti podobné množstvu vzduchu zmiešaného s prúdom spalín Vzduch je tvorený prúdom plynov, ktorý dopravuje splodiny horenia z požiaru do hornej vrstvy pod stropom, a to za predpokladu, že v miestnosti sa nachádzajú otvory.

Druhá zložka obsahuje produkty rozkladu a reakcie, ktoré vznikajú počas požiaru, konkrétne plyny (CO2, CO, H2O, CH4 atď.) a častice v pevnom (sadze) alebo kvapalnom skupenstve (napríklad ťažšie uhľovodíkové častice). Podrobnejší opis zložiek, ktoré môžu vzniknúť počas požiaru, je uvedený v podkapitolách 4.2.5 a 4.2.6.

Nespálené splodiny horenia vznikajú vždy, ak horenie prebieha na mieste, kde nie je dostatočný prísun kyslíka. Ale aj keď je prísun kyslíka dostatočný na spálenie všetkého paliva, vždy sa vytvorí určité množstvo nespálených splodín horenia.

Horľavé produkty, ktoré sa nachádzajú v splodinách horenia, pochádzajú z:

1. Pyrolýzy z materiálov, ktoré nie sú v kontakte s aktuálnym ohniskom požiaru. Keďže na úrovni stropu je teplota veľmi často vysoká, horľavý stropný materiál zvyčajne podlieha pyrolýze.

2. Nedokonalého horenia prebiehajúceho v samotnom ohnisku požiaru. Platí, že čím je horenie nedokonalejšie, tým viac horľavých produktov sa nachádza v splodinách horenia. A zároveň platí, že čím viac je sťažený prístup vzduchu do priestoru požiaru, tým nedokonalejší je proces horenia. To potom vedie k zvýšeniu pravdepodobnosti zapálenia vrstvy splodín horenia.

Je potrebné si uvedomiť, že časť potenciálnej energie, ktorá je k dispozícii vo vrstve splodín horenia, sa veľmi ťažko získava, aj keď dôjde k zapáleniu vrstvy splodín horenia Napríklad v prípade častíc sadzí musí teplota dosiahnuť hodnotu 1 000 °C, aby sa potenciálna energia premenila na teplo. To vysvetľuje, prečo často vidíme čierny dym, ktorý prúdi z miestnosti s požiarom, aj keď je teplota v miestnosti vysoká. Častice sadzí možno rozpoznať podľa ich čiernej farby.

4.2.2. Charakteristiky turbulentného prúdu spalín

Osovo-symetrický plameň a prúd spalín možno rozdeliť na tri zóny (obr. 4 2):

 kontinuálny plameň (úsek pri základni plameňa),

 pulzujúci plameň,

 vzostupný prúd spalín (úsek charakterizovaný klesajúcou rýchlosťou a teplotou plynov).

Obr. 4 2 Zóny plameňa a vzostupného prúdu spalín [1]

Rýchlosť vzostupného prúdu je najvyššia v osovom strede, u0 sa mení s výškou (vplyv vzduchu). Aj teplota vzostupného prúdu je najvyššia v osovom strede, pričom T0 je takmer konštantná v zóne 1 (stredná teplota plameňa), znižuje sa s nasávaným vzduchom (ΔT = T0 - T∞). Hmotnostný tok spalín ���� sa zvyšuje s výškou v dôsledku vplyvu vzduchu (obr. 4.3). Rýchlosť nasávania vzduchu do vzostupného prúdu spalín v = α∙u, kde α je koeficient nasávania. Ak je nasávanie vzduchu proporcionálne, α = 0,15.

Zmeny hustoty plynov vo vzostupnom prúde sú malé a platí ρ∞ = ρ. Mimo prúdu spalín u = 0 a T = T∞

Pre reálne požiare dochádza k strate 20-40 % tepelnej energie radiáciou (sálaním).

Obr. 4 3 Charakteristiky vzostupného prúdu spalín [2]

Charakteristiky vzostupného prúdu spalín (hmotnostný tok spalín, zmena teploty plynov) vzhľadom na výšku z vypočítame podľa (4 1, 4 2). Z rovníc vyplýva, že hmotnostný tok spalín sa zvyšuje so zvyšovaním HRR a výšky, zmena teploty sa s výškou znižuje.

4.2.3. Rovnice odvodené na základe experimentov

Zukoski [3] odvodil rovnice (4.3) platné pre ideálny prúd spalín a preddefinované podmienky okolia. Výpočty boli overené pre tri rôzne HRR, z a množstvá paliva.

Heskestad [4] vychádzal pri odvodení rovníc (4.4 – 4.8) z pomyselného vzniku plameňa v bode z0

situovaného pod úrovňou podlahy, pričom �� je celkové teplo, ���� teplo prenášané konvekciou, Lf stredná výška/dĺžka plameňa, z výška počítaná od neutrálnej roviny.

McCaffrey [5] rozdelil výpočty na zónu kontinuálneho plameňa, pulzujúceho plameňa a vzostupného

(5.9).

Tab. 4.1. Hodnoty koeficientov vstupujúce do výpočtu podľa McCaffrey [5]

V uvedených prípadoch bola stredná výška plameňov väčšia než priemer ohniska. Thomas [6] odvodil

(4.10) pre opačný prípad, platné pre Lf/D < 1, ale aj pre nekruhové ohniská, ak poznáme ich obvod

Doteraz neboli uvažované interakcie stien s prúdom spalín. V nasledujúcich rovniciach je uplatnený vplyv steny (4.11) alebo rohu (4.12).

Prúd spalín pod stropom

Ak vzostupný prúd spalín dosiahne strop, horúce plyny sa šíria horizontálnym prúdom pod stropom (obr. 5.4). Po dosiahnutí stropu počítame vzdialenosť rozšírenia prúdu spalín pozdĺž stropu r. V prípade idealizovaného prúdu spalín pod stropom s veľkou plochou dochádza k neobmedzenému šíreniu. Na začiatku je hrúbka horúcej vrstvy pod stropom 5-12 % z výšky miestnosti, maximálna rýchlosť a maximálna teplota sú relatívne blízko stropu, asi 1 % z výšky miestnosti. Teplotný profil je zdola ohraničený teplotou prostredia T∞, na hornej teplotou stropu Tw

Obr.

Pre HRR 500 kW-100 MW a H 4,6-15,5 m boli odvodené vzťahy (4.13, 4.14).

Ak plamene dosiahnu strop, nezhorené plyny sa rozšíria radiálne, vťahujú vzduch a pod stropom vzniká kruhový plameň (obr. 4 5). Radiálne rozšírenie plameňa rf pre HRR 93-760 kW vypočítame podľa vzťahu (4.15).

Obr.

4.2.5.

Zvláštnu pozornosť pri charakteristike dymu je potrebné venovať oxidu uhoľnatému (CO), oxidu uhličitému (CO2), kyslíku (O2), uhľovodíkom, uhlíku (C) a z fyzikálnych charakteristík optickej priepustnosti plynov. Zo známeho výťažku produktov horenia a pyrolýzy sa musí vypočítať koncentrácia v spalinách. Spaliny sú zrieďované vzduchom vnikajúcim do ich vzostupného prúdu, časť z nich uniká otvormi.

4.4 Rozšírenie prúdu spalín pod stropom [2]

4.5 Rozšírenie plameňa pod stropom [2]

Chemické zložky spalín

Pri dokonalom horení chemickou reakciou z paliva všeobecného zloženia CxHyOz vzniká len CO2

a H2O. Pri požiari vznikajú aj iné látky. Množstvo jednotlivých zložiek vyjadrujeme vo vzťahu k

ekvivalentnému pomeru Φ, čo je pomer hmotnosti paliva a kyslíka (vzduchu) delený stechiometrickým koeficientom r (podiel hmotnosti paliva reagujúceho s jednotkovou hmotnosťou kyslíka).

Výťažok zložky spalín yi, je hmotnosť zložky spalín vzniknutej z plynného paliva. Maximálny výťažok zložky spalín yi,max, je maximálny teoretický výťažok. Normalizovaný výťažok zložky spalín je výťažok delený výťažkom pri neobmedzenom prísune kyslíka (vzduchu) alebo maximálnym výťažkom yi/yi,∞, yi/yi,max

Vznik a rozšírenie spalín ovplyvňuje ľudí, majetok, zasahujúcich hasičov i samotnú voľbu taktiky zásahu. Vysvetlenie tvorby spalín vyžaduje podrobné poznanie ich chémie a teórie horenia. Základnými východiskami sú: model horenia (plameňové, bezplameňové, termická degradácia, pyrolýza), dostupnosť kyslíka, chemické zloženie palív a chemická retardácia horenia. Problémom je, že palivá nie sú chemicky čisté látky a podmienky horenia nie sú definované.

4.2.6. Vplyv chémie paliva na obsah spalín

Základom odhadu zloženia produktov horenia pri vnútorných požiaroch je chemická reakcia každého paliva v procese horenia. Jednoduché plynné palivo, metán, zhorí na vzduchu úplným dokonalým horením podľa reakcie (4.16).

Prerušenie procesu horenia zložitejších palív vedie k vzniku oxidu uhoľnatého (CO), vodíka (H2), sadzí (C), uhľovodíkov (HCs) a iných produktov rekombinačných reakcií pri termickej degradácii a oxidácii. Signifikantným faktorom je množstvo a dostupnosť vzduchu (kyslíka). Pri požiari môže byť popísané termínmi: nadmerná ventilácia (odvetranie), dobrá ventilácia (odvetranie), nedostatočná ventilácia (odvetranie).

Chemická reakcia dokonalého horenia paliva môže byť schematicky napísaná (4 17).

������������[C, H, O, N, Cl, F, Br]+����������ℎ

N2, Cl2, F2, Br2] (4.17)

V reálnych podmienkach požiaru prebieha dokonalé horenie len zriedkavo, častejšie sú produkty CO2, CO, H2O, HCs, sadze (C), N2, HCN, HCl, HF, HBr. Pri dobre odvetraných požiaroch vznikajú CO2, H2O a N2 v takmer ideálnych množstvách. Pri nedostatočnom vetraní, tlení, termickom rozklade, vzniká zvýšené množstvo CO, sadzí a uhľovodíkov. [1]

Maximálny výťažok zložky spalín ľahko vypočítame zo stechiometrickej reakcie. Pre CO2 a H2O

získame reálne výsledky, ale pre CO nereálne, pretože sa predpokladá, že pri dobre odvetraných

požiaroch nevzniká CO2. Napr. pre n-bután yCO2,max = 3,0 g/g, yCO2, ∞= 2,85 g/g, ale yCO,max = 1,91 g/g, yCO,∞ = 0,005 g/g.

Hmotnostná optická hustota dymu Dm, závisí od výťažku sadzí ys (4.18), kde α je optická hustota čiastočky alebo aerosólu, má hodnoty 1,9-3,3 m2 s-1, ale nie je konštantná, je funkciou výťažku sadzí. Vzdialenosť, na ktorú vidieť svietiace objekty, je nepriamo úmerná k Dm.

���� =��∙���� (4 18)

Pri vysvetlení parametrov sa vychádza z procesu vzniku spalín podľa ideálnej stechiometrickej reakcie (4 19).

r g palivo + 1 g kyslík → (r + 1) g produkty (4.19)

Výťažok zložiek spalín pri nedostatočnom množstve vzduchu (kyslíka) je závislý na stupni prebytku paliva vyjadrenom ako ekvivalentný pomer Φ (4.20), kde mf a mox je hmotnosť dostupného paliva a kyslíka, r je ideálny hmotnostný stechiometrický pomer paliva a kyslíka pre dokonalé úplné zhorenie. Rozsah Φ je 0-∞ pre čistý kyslík alebo palivo.

Φ= ���� ������ ⁄ �� (4.20)

Pre odchýlky od ideálneho dokonalého horenia je nevyhnutné poznať stechiometriu, alebo nájsť závislosť koncentrácie zložiek na Φ. V praxi sa vyjadrujú výťažky zložiek spalín yp vo vzostupnom prúde spalín vo vzťahu k odvetraniu. To vplýva na pomer hmotnostného toku paliva ���� a hmotnostného toku zreagovaného paliva ����,����������.

Pre dobre odvetrané požiare, kde Φ < 1, a ���� =����,����������,možno normalizovaný výťažok zložky spalín vyjadriť rovnicou (4 21). Pre nedostatočne odvetrané požiare, kde (Φ > 1, ���� >����,���������� a r = f(Φ), výťažok sa dá vyjadriť vzťahom (4 22). V takom prípade aktuálna závislosť musí byť stanovená pre každé palivo.

4.2.7. Odhad výťažkov spalín

Vznik spalín pri vnútornom požiari je komplexný dej, pri odhade výťažkov sa využívajú aproximácie. Z

výťažkov sa odhadujú koncentrácie zložiek. Pre nedostatočne vetraný požiar je výťažok CO niekoľkokrát vyšší než pri dostatočne vetranom, výťažok CO2 je asi 10-krát vyšší než CO. Z výsledkov experimentov vyplýva, že len výťažok CO závisí od materiálu, približne pre Φ = 4 dochádza k prechodu od plameňového

k bezplameňovému horeniu.

Pre ideálny prípad úplného dokonalého horenia, kde Φ < 1, jedná sa teda o dobre odvetraný požiar, platí pre výťažky zložiek spalín (4 23, 4 24).

V prípade nedostatočne odvetraného požiaru, kde Φ > 1, množstvo CO2, H2O a O2 je závislé na ekvivalentnom pomere (4.25), ale vznikajú aj uhľovodíky (HCs) (4.26).

Dominantný toxický plyn v dyme je CO, preto má veľký význam predpovedať jeho výťažok a vypočítať koncentráciu. Z experimentálnych údajov bol vyjadrený výťažok CO ako funkcia ekvivalentného pomeru vo vzostupnom prúde spalín a v hornej vrstve (4 27 – 4.29).

Pri reálnych požiaroch je v iniciačnej fáze množstvo CO nízke, po dosiahnutí flashoveru sa skokom zvyšuje, časť z neho môže zhorieť po prívode vzduchu vzniknutými otvormi.

4.3.Plameň

Najbežnejším typom je požiar prejavujúci sa plameňom. Tu je plameň vlastne samotným požiarom –tvorbou plynných reakčných produktov za vzniku tepla a svetla.

Plamene sa zvyčajne opisujú ako oblasť, v ktorej prebieha reakcia medzi palivom a vzduchom. Najčastejšie sa v tejto oblasti vyžaruje určitý druh žiarenia, často vo forme žltého svetielkovania. Existujú však látky, ktoré nevytvárajú žltý odtieň, ale namiesto toho modrý, napríklad niektoré alkoholy. Horenie alkoholu je mimoriadne účinné. Výsledkom je, že sa vytvorí len niekoľko častíc sadzí a namiesto žltého odlesku sa vytvorí modrý odlesk.

Pred vznikom plameňa sa horľavé plyny a kyslík zmiešajú procesom molekulovej difúzie. Rýchlosť stúpania vzniknutých spalín je riadená vztlakovou silou, ak rýchlosť vzniku horľavých plynov nie je výnimočne vysoká (roztrhnutie potrubia). Veľké plamene sú turbulentné, vzniká pri nich nestabilita medzi horúcim plameňom a studeným vzduchom, čo má za následok premenlivú výška a obrys plameňa.

Plameň je výsledkom chemickej reakcie medzi palivom a vzduchom. Na spustenie reakcie je potrebné určité množstvo energie.

Farba vyžarovaného svetla je čiastočne určená prvkami v reagujúcej zmesi. Farba vyžarovaná uhľovodíkovým plynom horiacim v dobre zmiešanej zmesi so vzduchom (napr. správne nastaveným kyslíkovo-acetylénovým horákom) je jasne modrá. Plameň v plynnom skupenstve je viditeľnejší, keď sa

uhlík a iné pevné alebo kvapalné vedľajšie produkty vznikajúce pri nedokonalom horení zahrejú na teplotu

žeravenia a v závislosti od svojej teploty žiaria - na červeno, oranžovo, žlto alebo bielo.

Reakcie plameňového horenia sú za bežných okolností oxidačné, pričom oxidačným činidlom je vzdušný kyslík. Dôležitým faktom, ktorý si treba zapamätať, je, že ak nehorí plyn alebo výpary, nemôže dôjsť k vzniku plameňového horenia. Platí to bez ohľadu na to, či je palivom na začiatku plyn alebo

výpary odparené z kvapaliny alebo destilované alebo uvoľnené z pevnej látky. Plameň je výlučne reakcia prebiehajúca v plynnom skupenstve. Kvapalné palivá môžu vytvárať len plameňové horenie, pretože kvapaliny samy o sebe nehoria a pyrolýzou nevznikajú pevné častice uhlíka (s výnimkou výnimočných okolností), ktoré podporujú tlenie.

Tuhé palivá často vytvárajú prevažne plameňové horenie, hoci je často sprevádzané žeravením. Drevo sa pod vplyvom tepla ľahko rozkladá za vzniku horľavých plynov, preto má tendenciu horieť plameňom, najmä v počiatočných fázach požiaru. Neskôr vzniknuté drevené uhlie pokračuje v horení formou tlenia. Uhlie má naopak menej prchavých zložiek a má tendenciu uvoľňovať proporcionálne menšie množstvo horľavých plynov ako drevo a vzniká z neho menšie množstvo otvoreného plameňa.

Obr 4 6 znázorňuje dynamiku plameňového horenia pevnej látky alebo kvapaliny.

Obr. 4 6 Typické plameňové horenie organického paliva [1]

Všimnime si, že teplo generované plameňom sa vyžaruje na povrch paliva, zvyšuje jeho teplotu, odparuje sa, ak ide o kvapalinu, a pyrolyzuje, ak ide o pevnú látku. Rovnovážna povrchová teplota tuhého paliva je riadená jeho chemickým zložením. Pre väčšinu palív je to rádovo 350 °C až 500 °C. Molekuly

pár vznikajúce pri vare kvapaliny alebo pri pyrolýze z tuhého paliva sú disociované alebo roztrhané chemickými podmienkami v plameni (niekedy sa nazývajú redukčné podmienky). Potom sa môžu ľahko spojiť s kyslíkom prichádzajúcim zvonku. Prúd horúcich plynov (obsahuje aj pevné čiastočky - sadze alebo kvapalné (aerosóly) produkty nedokonalého horenia) stúpa na základe vztlaku (sú horúcejšie, a preto menej husté ako okolitý vzduch v miestnosti). Tento pohyb vťahuje okolitý vzduch a jeho kyslík do plameňa, ktorý sa mieša s plynmi uvoľňovanými palivom, a tým udržiava reakciu. Nasávanie je vháňanie vzduchu (alebo iných plynov) do vztlakového prúdu splodín horenia.

Ak je plameňové horenie obmedzené na uzavretú miestnosť, kde sa kyslík, ktorý slúži na horenie plameňom, nenahrádza, koncentrácia kyslíka v okolitom vzduchu postupne klesá z jeho normálnej úrovne (približne 20,9 %). Rýchlosť, akou koncentrácia kyslíka klesá, závisí od veľkosti požiaru, veľkosti miestnosti a množstva čerstvého vzduchu, ktorý môže vniknúť do miestnosti. Z akýchkoľvek malých otvorov. Vo všeobecnosti platí, že keď koncentrácia kyslíka v blízkosti plameňa klesne pod približne 15 %, rýchlosť plameňového horenia bežných horľavých látok začína klesať. Nakoniec koncentrácia

dosiahne limitnú hodnotu kyslíka, ktorá už nebude podporovať plameňové horenie a plamene vyhasnú.

Limitná hodnota kyslíka, ktorá skutočne uhasí plamene, závisí od povahy jednotlivých palív a od teploty splodín horenia – čím vyššia teplota vzniká, tým nižšia môže byť koncentrácia kyslíka, a pritom sa plamene udržia. Pri požiarnych skúškach v miestnostiach s horľavými kvapalinami boli napríklad pozorované koncentrácie kyslíka v rozmedzí 5 a 8 %, pri ktorých sa teploty na strope pohybovali v rozmedzí 900 °C až 1 000 °C; a pri požiari v miestnosti po priestorovom vzplanutí boli pozorované koncentrácie kyslíka v medziach 0 a 5 %, ak teploty vo vrstve horúcich plynov boli vyššie ako 1 000 °C.

Pokiaľ dôjde k zapáleniu splodín horenia, prudko stúpne úroveň vyžarovaného tepla. To môže spôsobiť, že sa zrýchli rozvoj požiaru ale to je samozrejme riadené aj prístupom kyslíka.1

Najskôr si rozoberieme typy plameňov, ktoré môžu vzniknúť pri požiari riadenom palivom. Rýchlosť

šírenia plameňa v splodinách horenia sa líši podľa toho, aký typ plameňa sa pri horení vyskytuje.

Na to, aby sa horenie uskutočnilo, musí byť prítomné palivo a vzduch.

Je dôležité si uvedomiť, že bez ohľadu na to, či je palivo v kvapalnom alebo pevnom skupenstve, musí sa premeniť na plyn aby mohlo horieť. Medzi výnimky patrí tlenie a žeravenie.

Ak sa na povrchu paliva objaví plameň, ako napríklad pri pool fire (požiar kaluže), teplo z plameňa spôsobí, že sa kvapalina vyparí, a horenie môže ďalej pokračovať.

1 Počas hasenia, pri ktorom sa používa dýchací prístroj, je dôležité si uvedomiť, že splodiny horenia môžu zmeniť svoju povahu a vznietiť sa. Dôležité je tiež pamätať na to, že ochranný protipožiarny odev vydrží pôsobenie plynov len niekoľko sekúnd.

Existujú dva rôzne typy plameňov: vopred zmiešané a difúzne plamene. Obidva majú odlišné vlastnosti. Aby sme dokázali pochopiť rôzne javy, ktoré sa vyskytujú pri požiari v uzavretom priestore, je potrebné pochopiť aj vlastnosti plameňov.

Vopred zmiešané plamene vznikajú, keď sú palivo a vzduch už zmiešané a zmes sa dostane do rozsahu horľavosti ešte pred iniciáciou. Na vytvorenie plameňa je potrebný zdroj zapálenia, napríklad iskra. V niektorých prípadoch sa plyny môžu zapáliť bez iskry, čo sa zvyčajne nazýva vznietenie. Samovznietenie plynov tvoriacich dym nastáva len výnimočne.

Difúzne plamene vznikajú pri kontakte paliva a vzduchu. Palivo a vzduch sa teda pred vznietením nemiešajú. Namiesto toho dochádza k miešaniu prostredníctvom molekulárnej difúzie, čo je pomerne pomalý proces, aj keď je urýchlený vysokou teplotou.

Na vysvetlenie základných princípov difúzneho horenia možno použiť horiacu sviečku. Palivo tvorí roztavený tuk sviečky v malej tekutej kaluži na sviečke. Palivo sa nasáva do knôtu, kde sa mení na plynnú formu. Sviečky sú bežným príkladom výskytu difúznych plameňov

Difúzne plamene sa líšia tým, že horenie prebieha pri približne rovnakej rýchlosti, pretože plynné palivo a kyslík zo vzduchu sa navzájom rozptyľujú. Difúzne plamene sú výsledkom procesu horenia, pri ktorom sa molekuly paliva miešajú s kyslíkom prostredníctvom laminárneho a/alebo turbulentného miešania.

Vznikajú tak laminárne, resp. turbulentné difúzne plamene. Turbulencia pomáha urýchliť proces miešania.

Pri horení sviečky vzniká typický difúzny plameň, kde palivo a kyslík zo vzduchu prúdia vedľa seba pri nízkej rýchlosti. Laminárne sa miešajú a horenie prebieha v reakčnej vrstve rovnomerne (Obr. 4.7). Ak difúzia prebieha pomaly, kyslík a palivo sa musia miešať dlhší čas, aby bol horľavý súbor schopný horieť.

To je podobné spôsobu, akým sa môže šíriť požiar v stavbách. Horľavá zmes paliva a kyslíka môže vzniknúť a zapáliť sa vo veľkej vzdialenosti od pôvodného zdroja požiaru.

Obr. 4.7 Vrstvy rozoznávané pri difúznom horení sviečky [1]

Difúzny plameň vzniká v oblasti, kde sa pomer paliva a kyslíka dostáva do rozsahu medzi horľavosti (alebo výbušnosti).

Turbulentné plamene majú nasledovné základné vlastnosti:

 nepravidelný vírivý pohyb,

 rýchla difúzia,

 tenká, nepravidelná reakčná vrstva

Na rozdiel od laminárnych plameňov sú turbulentné plamene často sprevádzané zvukom a rýchlymi zmenami vzhľadu. Turbulencie sa môžu vyskytovať vo všetkých plynných prostrediach.

Ilustrácia difúzneho a turbulentného horenia je uvedená na obr. 4.8.

Keď začne horieť vrstva splodín horenia, takmer vždy ide o difúzne plamene. V prípade požiaru v priestore sa v mnohých prípadoch vytvára vrstva splodín horenia, ktorá nie je homogénna. To môže byť spôsobené napríklad tým, že došlo k silnému pyrolýznemu efektu vo vzťahu k materiálu nachádzajúcemu sa na strope. Znamená to, že obsah kyslíka priamo pod stropom je veľmi nízky. Koncentrácia paliva tiež nie je rovnomerne rozložená v celej vrstve dymu. Kyslík sa potom musí rozptýliť do paliva, aby mohlo nastať horenie

Jedným z parametrov plameňa, ktorý sa posudzuje z hľadiska dynamiky požiaru je stredná výška plameňa Lf (m), ktorú je možné stanoviť spriemerovaním výšky svietivého plameňa v čase. Z experimentov z horenia jednoduchých plynov (metán, propán) vyplynula súvislosť s plochou horenia D a HRR, ktorá je vyjadrená v rovnici strednej výšky plameňa (4 30). Pre reálne požiare musíme uvažovať o geometrii paliva (horizontálne a vertikálne rozloženie), o vplyve stien, stropu, otvorov.

Obr. 4.8 Laminárny plameň (vľavo) a turbulentný plameň (vpravo) [1]

Predpokladajme, že dym úplne vyplnil priestor. Horľavý súbor sa vopred zmiešal.

Pojem "vopred zmiešaný" sa používa v zmysle, že palivo je rovnomerne rozložené a zmiešané so vzduchom. Keď táto vrstva začne horieť, vytvoria sa vopred zmiešané plamene. V tejto časti budú ešte opísané pojmy ako medze horľavosti a rýchlosť horenia. Na opis vopred zmiešaných plameňov používame reakčné vzorce, ktoré sú dobrým spôsobom uvádzania príkladov zmesí.

Pre jednoduchý opis medzí horľavosti, musíme najprv uvažovať, čo sa stane, keď sa horľavý súbor pozostávajúci len z paliva a vzduchu zapáli. Aby mohlo dôjsť k horeniu vopred zmiešaného horľavého súboru, musí sa koncentrácia paliva nachádzať v určitých medziach, ktoré sa nazývajú medze horľavosti.

Rozsah medzi dolnou medzou horľavosti a hornou medzou horľavosti je známy ako rozsah horľavosti. Veľkosť rozsahu horľavosti sa líši podľa látok; rôzne látky majú rôzne veľkosti rozsahu horľavosti. V tabuľke 4.2 uvádzame medze horľavosti pre vybrané plyny

Tab. 4.2. Medze horľavosti pre vybrané plyny [1]

Plyn Dolná medza horľavosti Horná medza horľavosti

Dolná medza horľavosti klesá pri vyššej teplote. Pri horení sa musí uvoľniť menej energie, aby došlo k zapáleniu horľavého súboru a tento horel plameňom. To nepriamo znamená, že na to, aby horenie mohlo pokračovať, je potrebné menšie množstvo paliva.

Teplota je rozhodujúcim faktorom pri odhade rizika zapálenia vrstvy tvorenej horľavým súborom. Čím vyššia je teplota, tým viac pyrolýznych plynov sa vytvorilo, čím je pre vrstvu ľahšie sa zapáliť.

Za predpokladu, že plyny sú vopred zmiešané, rýchlosť laminárneho horenia sa bude líšiť podľa toho, kam presne zmes spadá v rámci rozsahu horľavosti. Laminárna rýchlosť horenia je rýchlosť, ktorou sa pohybujú studené, nespálené plyny vo vnútri plameňa. Tento pojem je dosť nejasný, pretože túto rýchlosť nemôžeme "vidieť". Ak sa zmes nachádza v blízkosti vonkajších hraníc horľavosti, rýchlosť horenia bude pomerne nízka. Ak je zmes blízko stechiometrického bodu, horenie bude prebiehať rýchlejšie, pretože sa uvoľňuje viac energie. Neplatí však, že rýchlosť horenia sa bude zvyšovať, čím vyšší bude podiel paliva v horľavom súbore. Ide skôr o to, že rýchlosť horenia dosiahne najvyššiu hodnotu, keď ide o stechiometrickú zmes a potom klesá smerom k hornej hranici horľavosti.

Ak porovnáme teplo uvoľnené pri dolnej hranici horľavosti a pri dosiahnutí stechiometrického bodu, v druhom prípade sa uvoľní viac energie, pretože sa spaľuje vyššie percento paliva. To znamená, že rýchlosť horenia bude vyššia pri stechiometrickej zmesi v porovnaní s dolnou hranicou horľavosti.

Podobné porovnanie možno vykonať medzi stechiometrickým bodom a hornou hranicou horľavosti.

Keď sa dostaneme do tejto hornej časti rozsahu horľavosti, je to množstvo kyslíka, ktoré určuje, koľko energie sa môže uvoľniť. Čím bohatšie sú plyny na energiu, tým bude rýchlosť horenia vyššia (obr. 4.9).

Rýchlosť horenia (Su) závisí od uvoľnenej energie.

Rýchlosť plameňa alebo rýchlosť čela plameňa je rýchlosť, pri ktorej sa tenká reakčná zóna, pohybuje cez vrstvu tvorenú horľavým súborom. Odhaduje sa na základe pevne stanoveného bodu, napr. ako je zdroj zapálenia. Rýchlosť plameňa súvisí s rýchlosťou laminárneho horenia.

Z pohľadu dynamiky požiaru je zaujímavý aj vzťah medzi rýchlosťou plameňa a rýchlosťou laminárneho horenia, ktorá v praxi nie je nikdy rovnaká. Počas horenia sa čelo plameňa tlačí dopredu v dôsledku expanzie horúcich plynov, ku ktorej dochádza, a produkty sa ohrievajú za reakčnou zónou (pozri obr 4.9). Horúce produkty sa nemôžu voľne rozpínať, ale sú obmedzené za čelom plameňa. Avšak k expanzii môže v niektorých prípadoch dôjsť veľmi rýchlo.

4.4. Rýchlosť uvoľňovania tepla

Množstvo tepelnej energie uvoľnenej počas určitého časového úseku, napríklad sekundy, sa nazýva rýchlosť uvoľňovania tepla a vyjadruje sa v J s-1 (jouloch za sekundu) alebo W (wattoch). Rýchlosť uvoľňovania tepla je veľmi dôležitý faktor, pretože poskytuje možnosť posúdiť veľkosť požiaru, čo následne znamená, že dokážeme stanoviť rozsah hasiacich prác. Pri určovaní rozsahu hasiacich prác sa rýchlosť uvoľňovania tepla pri požiari porovnáva s možnosťami, ktoré ponúkajú rôzne metódy a prostriedky hasenia.

Rýchlosť uvoľňovania tepla z povrchu paliva závisí na určitom množstve plynov vznikajúcich pri pyrolýze, ktoré sa uvoľňujú z povrchu paliva. Rýchlosť úbytku hmotnosti je riadená viacerými faktormi, viď obr. 4 10

Obr. 4.9 Distribúcia plameňa vo vopred zmiešanej zmesi plynov [1]

Na účinnosť horenia má zásadný vplyv vetranie. Čím je odvetranie menej účinné, tým je účinnosť horenia nižšia a tým viac plynov sa hromadí vo vrstve splodín horenia. To znamená, že v uzavretom priestore existuje veľké riziko, že sa v ňom bude nachádzať veľa nespálených plynov. To je samozrejme spôsobené aj tým, že na ostatných povrchoch už prebehla pyrolýza

Účinnosť horenia sa zvyčajne vyjadruje písmenom χ. Maximálne množstvo energie sa získa, ak χ = 1,0

Práve rozsah nedokonalého horenia, ktorý sa zvyčajne vyjadruje ako 1 - χ, určuje, koľko potenciálnej energie môže zostať nevyužitej v hornej vrstve splodín horenia. Keď dôjde k zapáleniu splodín horenia, v niektorých prípadoch sa táto energia môže premeniť na teplo a zvýšiť vyžarovanie v miestnosti. V prípade plastov môže byť χ až 0,5. Pri horení metanolu je χ takmer 1,0.

Táto hodnota platí pri voľnom prístupe vzduchu. Ak je k dispozícii len obmedzené množstvo vzduchu, χ bude nižšie, t. j. v dymovom splodinách bude viac nespálených plynov.

V posledných desaťročiach nastal prechod od používania materiálov na báze dreva k syntetickým polymérom, čo prinieslo nové výzvy aj pre oblasť ochrany pred požiarmi. Niektoré vlastnosti výrazne vystupujú do popredia. Napríklad napenené plasty majú nízku tepelnú vodivosť (k) a nízku hustotu (ρ), pozri tabuľku 4.1.

Tabuľka 4.1 Rôzne hodnoty kρc pre rôzne materiály [1]

V dôsledku toho sa napenené plasty rýchlo vznietia a vedú k rýchlemu šíreniu plameňa. Možným

dôsledkom toho je, že požiar prejde do fázy flashover vo veľmi krátkom čase. Rýchly flashover môžu

Obr. 4.10 Faktory ovplyvňujúce rýchlosť uvoľňovania tepla [1]

spôsobiť aj niektoré plasty, ktoré pri horení odkvapkávajú. Požiar sa takto šíri veľmi rýchlo a teplo sa uvoľňuje veľkou rýchlosťou Usporiadanie paliva preto zohráva rozhodujúcu úlohu pri určovaní toho, či požiar prejde do stavu flashover.

Porovnávanie rôznych materiálov na základe porovnávania ich jednotlivých vlastností nemusí vypovedať o tom, ako sa budú správať v reálnom prostredí. Napriek tomu sa odporúča oboznámiť sa s rôznymi materiálmi a s ich odlišnosťami.

Napríklad niektoré plasty, známe ako termoplasty, pri zvýšení teploty mäknú a topia sa. V tejto situácii sa tieto materiály správajú ako kvapalina. Teplo vyžarované plameňmi pri požiari môže dokonca spôsobiť, že plastové predmety v pomerne veľkej vzdialenosti od požiaru zmäknú alebo sa roztavia bez toho, aby boli priamo zasiahnuté požiarom. Roztavený materiál sa potom môže vznietiť v dôsledku radiácie z požiaru, horiacich kvapiek alebo v dôsledku pádu horiaceho predmetu na roztavený materiál.

Rýchlosť uvoľňovania energie pri požiari vplýva na vzostupný prúd horúcich spalín nad ohniskom požiaru, teplotu horúcich plynov, rýchlosť znižovania hranice hornej horúcej vrstvy.

Pri odhade rýchlosti uvoľňovania tepla je východiskom rýchlosť horenia. Rýchlosť horenia býva často vyjadrená ako hmotnostná rýchlosť odhorievania �� (kg∙s-1, g∙s-1), ktorá sa využíva hlavne pri horení tuhých látok, alebo ako plošná rýchlosť odhorievania �� "(kg∙m-2∙s-1), ktorá sa využíva pri popise horenia

tuhých látok aj horľavých kvapalín. Treba poznamenať, že rýchlosť horenia a rýchlosť úbytku hmotnosti paliva nie je synonymom pri nedokonalom horení.

Pre zopakovanie uvádzame, že rýchlosť uvoľňovania energie alebo tepla je teplo uvoľnené za jednotku

času �� (kJ∙s-1 = kW). Na označenie môžeme použiť skratku HRR

Teplo potrebné na splynenie jednotkovej hmotnosti paliva sa nazýva teplo splyňovania ΔHg (kJ∙kg-1).

Spaľovacie teplo je mierou uvoľnenia energie pri spálení jednotkovej hmotnosti materiálu (kJ∙kg-1 , J∙g-1). Môže byť vyjadrené ako celkové ΔHc, alebo ako efektívne ΔHef spaľovacie teplo, ktoré je vhodnejšie pre popis požiaru. Pomer medzi efektívnym spaľovacím teplom a celkovým (úplným) uvoľneným teplom sa nazýva účinnosť horenia χ (-). Požiarny scenár je vývoj požiaru charakterizovaný v zmysle uvoľňovania energie v závislosti na čase. Pri jeho výbere sa využívajú dva prístupy. V prípade, že sú informácie o znalosti množstva a typu paliva v požiarnom priestore, používa sa HRR získané z predchádzajúcich meraní. V prípade, ak chýbajú detaily, využíva sa tzv. inžinierske riešenie.

Požiar v byte môže dosahovať hodnoty HRR v rozmedzí 2-5 MW, v porovnaní s napríklad, zápalkou, ktorá môže vyprodukovať HRR s hodnotou 80 W, alebo cigaretou, pre ktorú je charakteristická hodnota 5 W. Ďalej uvádzame HRR pre iné predmety, napr. pre pohovku 1-2 MW a odpadkový kôš na papier, v prípade ktorého HRR dosahuje hodnoty 0,05 až 0,3 MW.

4.4.1. Faktory ovplyvňujúce rýchlosť uvoľňovania tepla

Hlavné faktory ovplyvňujúce HRR pri vnútorných požiaroch sú palivo (typ, množstvo, orientácia) a prostredie [7]. Minimalizovaný vplyv prostredia sa uplatňuje pri prirodzenom (voľnom) rozvoji požiaru, kedy dochádza bez obmedzenia k úniku spalín a nedochádza k spätnému radiačnému toku z hornej horúcej vrstvy.

HRR nie je konštantou, mení sa s časom v závislosti od tepla splyňovania paliva a je priamo úmerná rýchlosti odhorievania. Rýchlosti odhorievania sa získavajú experimentálne. Teplo splyňovania sa ťažko stanovuje pre tuhé palivá, pre ktoré nie je konštantné. Pre kvapalné palivá je teplo splyňovania totožné s teplom vyparovania.

Pri prostredí posudzujeme dva hlavné vplyvy na HRR. V prvom prípade horúce plyny v hornej vrstve ohrievajú strop a steny a následne povrchy a plyny vyžarujú energiu na povrch paliva, čím zvyšujú rýchlosť horenia. Ak sa v priestore nachádzajú malé otvory, môže byť znížená dostupnosť kyslíka na horenie. Dochádza k zhoreniu menšieho množstva paliva, v priestore sa kumuluje viac nezhorených plynov.

To má za následok nižšiu HRR. Všeobecne platí, že výraznejší prenos tepla zvyšuje plošnú rýchlosť odhorievania a nedostatok kyslíka pri podlahe znižuje �� " .

4.4.2. Metódy odhadu rýchlosti uvoľňovania tepla

Prvou z metód, ktoré sa používajú na odhad HRR pri voľnom horení využíva vzťah medzi kyslíkom spotrebovaným na oxidáciu a uvoľneným teplom. Vzťah bol odvodený po experimentálnom stanovení HRR pre viaceré požiarne scenáre (napr. nádrže horľavých kvapalín, polyméry) za podmienok neobmedzeného prístupu kyslíka a kontinuálneho odvodu horúcich plynov. Z výsledkov kalorimetrického stanovenia vyplynulo, že pre rôzne prípady došlo ku konštantnému uvoľneniu energie 13 100 kJ na 1 kg spotrebovaného kyslíka. Rýchlosť uvoľneného tepla sa dá vyjadriť podľa vzťahu (4.31).

�� = 13 100 kJ∙kg-1 ∙ spotrebovaný kyslík kg∙s-1 (kg∙s-1 = kW) (4.31)

Pri druhej metóde sa využíva rýchlosť horenia a hmotnosť odhoreného paliva.

HRR potom odhadujeme z efektívneho spaľovacieho tepla (4.32).

�� = ��∙∆������ (4.32)

HRR možno vypočítať z priemernej rýchlosti plošného odhorievania stanovenej experimentálne pre prirodzený požiar rôznych materiálov a horizontálnej horiacej plochy paliva Af a efektívneho spaľovacieho tepla (4.33). ��

Rozdiel medzi ΔHef a ΔHc si môžeme vysvetliť na príklade horenia PMMA. Pre dokonalé horenie PMMA platí (4.34). Pre špecifický požiar PMMA platí (4.35).

Problémom pri uplatnení uvedených výpočtov je to, že pri vnútorných požiaroch nepoznáme stechiometriu horenia a hodnoty ΔHef nie sú tabelované [7]. Pre dobre odvetraný vnútorný požiar môžeme využiť odhady účinnosti spaľovania (4.36) pre bežné palivá.

Takmer 100 % - ná je účinnosť spaľovania pri horení bez vzniku sadzí (alkoholy, metán). Oleje a horľaviny s čadivým plameňom majú účinnosť spaľovania 60-70 % [8]. Na χ má veľký vplyv dostupnosť kyslíka, pre malé priestory sa účinnosť výrazne znižuje so znižovaním koncentrácie kyslíka. HRR potom vypočítame podľa (4.37).

Pri odhade HRR pri požiaroch nádrží kvapalín vychádzame z poznatkov, že kvapalné horľaviny predstavujú veľké ohrozenie, pretože sú často prchavé pri bežných teplotách a ľahko tvoria horľavé a výbušné zmesi s oxidačným prostriedkom [9]. Ale niektoré majú vysoké teploty vznietenie a vyžadujú lokalizované zahrievanie, no majú vysokú rýchlosť šírenia plameňa po povrchu. Pri prirodzenom požiari horľavých kvapalín rýchlosť odhorievania závisí od priemeru nádrže. Z experimentov posudzujúcich závislosť rýchlosti odhorievania na priemere boli urobené závery, že pre priemer nádrže nad 0,2 m sa rýchlosť odhorievania zvyšuje s priemerom do určitej hodnoty, potom je konštantná ��∞ " . Pre horenie alkoholov je priemer nádrže zanedbateľný. Rýchlosť odhorievania ovplyvňujú aj konštanty k, β, charakterizujúce palivo, (sú funkciou radiačného toku energie z plameňa na povrch paliva). Boli stanovené a tabelované pre kvapaliny aj termoplasty. Z pokusov bola odvodená rovnica rýchlosti plošného odhorievania (4.38) a následne rovnica pre HRR pri požiaroch nádrží horľavých kvapalín (4.39).

4.4.3. HRR pri horení materiálov a výrobkov

V minulosti sa predpokladalo, že materiály horia takmer konštantnou rýchlosťou [7] Avšak, v skutočnosti pri mnohých materiáloch nastáva zmena rýchlosti horenia v čase, po zapálení rýchlosť vzrastá do maxima, potom sa znižuje do vyhorenia (v zmysle krivky iniciácia, rozvoj, uhasínanie). Rôzne

iniciátory ovplyvňujú čas do zapálenia a HRR v iniciačnej fáze, ale maximum HRR a čas horenia je podobný. Z experimentov vyplýva, že pri reálnych požiaroch je HRR v iniciačnej fáze takmer vždy urýchlená (4.40).

�� =��∙��2 (4.40)

V uvedenom vzťahu je α je faktor rastu (kW∙s-2), t je čas (s). Ak čas potrebný na začatie uvoľňovania signifikantného tepla je t0 , na základe tabelovaných údajov α, t0 pre rôzne materiály a výrobky môžeme rozvoj požiaru klasifikovať ako: veľmi rýchly (α = 0,19), rýchly (α = 0,047), stredný (α = 0,012) a pomalý (

α = 0,003) (obr. 4.11). Uvedenú klasifikáciu môžeme popísať aj podľa hodnoty času dosiahnutie hodnoty HRR 1 055 kW (75 s, 150 s, 300 s, 600 s).

Obr. 4.11 Klasifikácia rozvoja požiaru podľa ��, resp. HRR [2]

Množstvo tepla, ktoré sa môže uvoľniť z dreva v prípade úplného spálenia, je 17 až 20 MJ kg-1

V prípade plastov existujú veľké rozdiely v hodnotách spaľovacieho tepla. Niektoré nevytvárajú takmer žiadnu energiu. Iné plasty, napríklad termoplasty, môžu vyprodukovať spaľovacie teplo, ktoré je porovnateľné so spaľovacím olejom, približne 40 - 50 MJ kg-1

Zhrnutie

V mnohých situáciách bude vrstva dymu vznikajúca pri požiari obsahovať nespálené produkty. Čím

nedostatočnejšia je ventilácia (odvetranie) priestoru, tým sa v ňom nachádza väčšie množstvo nespálených plynov. V dôsledku toho a v spojení s veľkým množstvom pyrolýznych produktov pochádzajúcich z materiálu, ktorý nie je v blízkosti aktuálneho miesta požiaru, sa dym (splodiny horenia) môže vznietiť. Ak sú palivo a vzduch v správnom pomere a v blízkosti sa nachádza aj zdroj zapálenia, môže dôjsť k uvoľneniu energie vo vrstve dymu. Ak sa táto energia uvoľní, t. j. ak sa objavia plamene, úroveň radiácie (žiarenia) v miestnosti sa výrazne zvýši.

Keď dôjde k zapáleniu dymu, môžu vzniknúť dva typy plameňov: 1. difúzne plamene, pri ktorých kyslík preniká do paliva; 2. vopred zmiešané plamene, pri ktorých sa palivo a vzduch pred zapálením zmiešajú.

Difúzne plamene vznikajú v hraničnej vrstve medzi palivom a vzduchom. Pri väčšine požiarov v uzavretých priestoroch pozorujeme difúzne plamene.

Produkcia nespálených plynov je rozhodujúca pre zapálenie vrstvy dymu. Ak sa nespálené plyny nahromadené vo vrstve dymu zapália, úroveň radiácie sa v tomto priestore dramaticky zvýši. To následne spôsobí zapálenie ďalších materiálov. Požiar sa potom rýchlo rozvíja a šíri.

Vlastnosti materiálu a ventilačný systém sú rozhodujúcimi faktormi pri produkcii nespálených plynov, ako aj pri miere, do akej materiál predstavuje nebezpečenstvo ďalšieho rozvoja požiaru v konkrétnej situácii.

Rýchlosť uvoľňovania tepla je veľmi dôležitý faktor, pretože poskytuje možnosť posúdiť veľkosť požiaru, čo následne znamená, že dokážeme stanoviť rozsah hasiacich prác. Hlavné faktory ovplyvňujúce HRR pri vnútorných požiaroch sú palivo (typ, množstvo, orientácia) a prostredie.

Kontrolné otázky

1. Kde sa v miestnosti zhromažďujú horúce plyny dymu produkované požiarom?

2. Popíšte proces pyrolýzy.

3. Čím je tvorený vzostupný prúd spalín?

4. Ktoré zóny plameňa a vzostupného prúdu spalín rozoznávame?

5. Uveďte produkty dokonalého a nedokonalého horenia.

6. Popíšte proces horenia metánu vo vzduchu.

7. Od čoho závisí hmotnostná optická hustota dymu?

8. Uveďte podmienky umožňujúce vznik plameňového horenia

9. Definujte rozdiel medzi vopred zmiešanými a difúznymi plameňmi.

10. Zadefinujte pojem rýchlosť uvoľňovania tepla. Aký význam má táto charakteristika pri štúdiu dynamiky požiaru?

Použitá literatúra

1. Bengtson L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p.

2. Drysdale, D. 1999. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1999, 451 s.

3. Zukoski, E.E. Properties of Fire Plumes. Combustion Fundamentals of Fire. Cox, G. (ed.). London: Academic Press, 1995.

4. Heskestad, G. A Reduced-Scale Mass Fire Experiment. Combustion and Flame, Vol. 83, 1991, pp. 293–301.

5. Mc Caffrey. Purely Buoyant Diffusion Flames: Some Experimental Results. NBSIR79-1910. Washington: National Bureau of Standards, Department of Commerce, 1979.

6. Thomas, P.H. The Size of Flames from Natural Fires. Ninth Symposium (International) on Combustion. New York: Academic Press, 1963, pp. 844–859.

7. Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p.

8. F.I.R.E Enclosure Fire Dynamics. Dostupné online. (Cit. 21.05.2022)

9. Gorbett, G.E., Pharr, J.L. Fire Dynamics. 1st ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2011, 574 p.

Doplnkové študijné zdroje

1. Fázy rozvoja požiaru

2. Typy plameňov.

5. FÁZA FLASHOVER

V tejto kapitole sú opísané mechanizmy, ktoré môžu viesť k vzniku flashoveru. Základným predpokladom je dostatok paliva v pomere k objemu miestnosti. Požiar má možnosť prejsť do flashoveru, ak sú v miestnosti otvory. V tejto kapitole je uvedený aj opis toho, čo sa deje vo vrstve splodín horenia počas prechodu do plne rozvinutého požiaru v priestore. Obzvlášť významným je poznávanie typu plameňov, ktoré sa vyskytujú pri flashoveri.

Aj v tejto fáze sa ešte stále nachádzame vo fáze nárastu krivky rozvoja požiaru.

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Definovať pojem priestorové vzplanutie, resp. flashover.

 Popísať podmienky vedúce k vzniku flashoveru.

 Popísať procesy, ktoré vznikajú a prebiehajú počas rozvoja požiaru vo vrstve dymu.

 Rozoznať ohrozenia, ktoré vyplývajú zo vzniku flashover pre osoby a ich majetok a opatrenia smerujúce k ochrane života a zdravia zasahujúcich hasičských jednotiek.

Kľúčové slová: dym, flashover, priestorové vzplanutie, rýchlosť uvoľňovania tepla, úbytok hmotnosti

5.1.Teoretické východiská popisu požiaru vo fáze flashover

Doteraz sme opisovali správanie sa požiaru v počiatočnej fáze rozvoja požiaru. Nebrali sme do úvahy existenciu otvorov v požiarnom priestore, ale predpokladali sme, že požiar je stále kontrolovaný palivom.

V mnohých ohľadoch sme sa nachádzali v situáciách, ktoré môžu nastať, ak je požiar riadený palivom alebo ventiláciou, napríklad pri vznietení plynov tvoriacich dym.

Teraz sme sa však dostali do fázy, keď sa požiar skokovo rozšíri na rôzne predmety v miestnosti.

Požiar je však stále riadený palivom. Je tu teda voľný prístup vzduchu, ktorý umožňuje pokračovanie horenia. Požiar môže prebiehať rôznymi cestami. Moment, kedy nastane zmena a požiar sa stáva riadeným ventiláciou, sa líši v závislosti od viacerých faktorov.

Na ilustráciu použijeme dva základné scenáre:

Scenár 1: Požiar sa môže rozvinúť do flashoveru. V tomto prípade má miestnosť zaistený dostatočný prívod vzduchu, čo teoreticky znamená, že v miestnosti sú otvory.

Scenár 2: Ak v miestnosti s požiarom vznikne nedostatok kyslíka, intenzita požiaru sa zníži a teplota klesne, čo môže viesť k samovoľnému vyhasnutiu požiaru alebo k tomu, že začne tlieť.

Pri prvom scenári, t. j. keď miestnosť (požiarny priestor) má voľný prístup k vzduchu/kyslíku, požiar sa naďalej rozvíja. Teplota sa vo vrstve dymu zvyšuje a následne sa začne zvyšovať vyžarovanie tepla do nižších častí miestnosti. Tento proces sa potom zrýchli, čo vedie k vzniku tzv. flashoveru

Flashover, pokiaľ sa vyskytne v budovách, máva za následok usmrtenie osôb, preto je dôležité poznať situácie, ktoré ich spôsobujú. Veľmi malé percento vnútorných požiarov však vyústi do flashover

5.2. Definícia flashoveru

Pojem flashover sa používa už viac ako 60 rokov. Jeho definícia je nejasná a v posledných rokoch sa objavilo niekoľko rôznych interpretácií tohto pojmu. Mnohé definície pojmu flashover sú veľmi podobné.

Definícia ISO pre flashover je nasledovná: “Rýchly prechod do stavu kompletného zapálenia povrchov všetkých horľavých materiálov nachádzajúcich sa v požiarnom priestore“ .

Vyjadruje, že počas požiaru v uzavretom priestore sa môže dosiahnuť fázu, keď tepelné žiarenie z požiaru, horúce plyny a horúce povrchy spôsobia pyrolýzu všetkých horľavých povrchov v priestore požiaru. Tento náhly a trvalý prechod rastúceho požiaru na plne rozvinutý požiar je flashover

Táto definícia je rovnaká ako definícia používaná napríklad v Spojenom kráľovstve. V tejto definícii sa uvádza, že flashover sa neklasifikuje ako mechanizmus, ale ako prechodné obdobie, ktoré závisí od viacerých jednotlivých mechanizmov a prispieva k tomu, aby sa pôvodný požiar stal plne rozvinutým požiarom.

Výsledkom flashoveru je vždy plne rozvinutý požiar (obr. 6.1).

Obr. 6.1 Výskyt flashoveru v priebehu rozvoja požiaru [1]

Bod A na obrázku 6.1 označuje fázu, keď plamene dosiahnu strop v miestnosti. V bode B začína fáza plne rozvinutého požiaru. Časový úsek medzi bodmi A a B môže byť v niektorých konkrétnych prípadoch veľmi krátky, dokonca len niekoľko sekúnd. Flashover teda možno charakterizovať aj ako čas od zmeny lokalizovaného požiaru až do chvíle, keď plamene pohltia celú miestnosť.

Medzi faktory, ktoré ovplyvňujú trvanie tohto časového úseku, patrí geometria miestnosti, pričom sa predpokladá, že miestnosť má otvor, keďže dôjde k flashoveru. Požiar sa zmení na riadený odvetrávaním.

To sa dá vysvetliť tým, že všetky produkty pyrolýzy, ktoré vznikajú v miestnosti, nemôžu z dôvodu

nedostatku kyslíka zhorieť na mieste. Nespálené plyny potom zhoria mimo miestnosti, čo je zrejmé aj z

výskytu plameňov.

Uvoľnené teplo potrebné na vznik priestorového vzplanutia v miestnosti normálnej veľkosti (3,6 x 2,4 x 2,4 m) s dverami (0,8 x 2 m) sa pohybuje v rozmedzí 500 - 1 000 kW. To možno porovnať s teplom z pohovky, ktorá uvoľňuje 1 000 až 2 000 kW. Na obr 6.2 je znázornená postupnosť obrázkov, ktoré ukazujú, ako sa dôjde k flashoveru.

Obr. 6.2 Priebeh rozvoja požiaru až do vzniku flashoveru [1]

5.3. Podmienky, ktoré vedú k vzniku flashover

Veľmi veľký počet doteraz realizovaných veľkoformátových požiarnych skúšok ukázal, že na to, aby mohlo dôjsť k flashoveru, musí požiar prekročiť určitú kritickú úroveň, ktorá sa meria množstvom uvoľneného tepla (kW) alebo tepelný tok spätného sálania horúcej vrstvy plynov (kW.m-2). Táto kritická úroveň závisí najmä od veľkosti miestnosti, tepelných vlastností stien a vetrania priestorov. Potrebné je aj určité množstvo paliva / jeho povrch.

Keďže flashover je časový úsek, je ťažké určiť presne v ktorom okamihu k nemu dôjde. Kritériá, ktoré sa používajú, sú najmä teplota vo vrstve dymu (splodín horenia) a emisia dymu smerom k podlahe. Výsledky viacerých experimentov ukazujú, že výsledok sa môže veľmi líšiť. Je ťažké nájsť dvoch nezávislých odborníkov, ktorí by dokázali presne určiť rovnaký čas, kedy došlo k flashoveru.

Stačí, ak sa podarí poskytnúť odhad v rozmedzí 5 - 10 s rozdielov. Takýto časový rozdiel znamená, že sa teplota v miestnosti zmení približne o 100 °C. Rýchlosť, akou teplota počas flashover stúpa, je veľmi rýchla.

Pokiaľ ide o teplotu, hodnoty namerané vo fáze flashoveru sa vyskytujú v rozmedzí od 450 do 771 °C, hoci väčšina hodnôt sa pohybuje medzi 600 a 700 °C. Hodnoty radiácie sa pohybujú od 15 kW∙m-2 do 33 kW∙m-2 . Väčšina hodnôt je však vyššia ako 20 kW∙m-2 .

Dôvodom rozdielov v týchto hodnotách je zrejme aj skutočnosť, že experimenty sa uskutočnili s použitím rôznych palív a ich usporiadania. Nehovoriac o tom, že osoby vykonávajúce experimenty vizuálne neidentifikujú flashover, ktorý nastal, v rovnakom časovom okamihu.

Vo všeobecnosti platí, že keď teplota vo vrstve dymového plynu prekročí 600 °C, väčšina ľudí sa domnieva, že došlo k flashoveru. Podobne sa väčšina ľudí domnieva, že úroveň žiarenia nad 20 kW∙m-2 je dostatočná na to, aby v priestore došlo k flashoveru.

Experimentálne pozorovania ukázali, že radiácia na úrovni podlahy musí dosiahnuť približne 20 kW∙m-2 a teplota pod stropom približne 600 °C (pre stropy vysoké približne 2,5-3,0 m), aby mohlo dôjsť k flashover. V tomto štádiu sa úroveň radiácie v miestnosti dramaticky zvýši, čo má za následok, že pyrolýza sa zvyšuje s rastúcim povrchom paliva.

Väčšina týchto experimentov sa uskutočnila v miestnostiach s otvormi rôznych veľkostí.

5.3.1. Rýchlosť uvoľňovania tepla vo fáze flashover

Rýchlosť uvoľňovania tepla sa riadi buď prístupom ku kyslíku, alebo rýchlosťou úbytku hmotnosti paliva. Pre zopakovanie uvádzame, že ak je k dispozícii dostatočný prístup kyslíka a veľkosť požiaru je riadená rýchlosťou úbytku hmotnosti paliva, tento požiar sa riadi palivom. Ak je prístup kyslíka obmedzený a rýchlosť uvoľňovania tepla je tým ovplyvnená, tento typ požiaru sa označuje ako požiar riadený ventiláciou.

Rýchlosť uvoľňovania tepla súvisí s dostupným vybavením a s tým, čo sa podarí uhasiť. Len pre porovnanie, hasiči dokážu viac-menej zvládnuť požiar s rýchlosťou uvoľňovania tepla prizližne v rozmedzí

15 - 20 MW. To je vyššia rýchlosť uvoľňovania tepla ako pri bežnom požiari domu. Schopnosť uhasiť požiar samozrejme závisí od dostupnosti a individuálnych schopností hasičov.

Rýchlosť uvoľňovania tepla (������alebo��) potrebného na vznik vzplanutia možno pomocou rovnice

(6.1) prepočítať na rýchlosť úbytku hmotnosti (množstvo pyrolýzy z paliva).

�� =��∙∆���� ∙�� (6.1)

kde:

ΔHc – spaľovacie teplo (J kg-1)

�� – účinnosť horenia (-)

�� – rýchlosť úbytku hmotnosti (kg∙s-1)

5.3.2. Zvyšovanie rýchlosti úbytku hmotnosti

V tejto časti sa zaoberáme procesmi, ktoré prispievajú k zvýšeniu rýchlosti úbytku hmotnosti a nepriamo aj rýchlosti uvoľňovania tepla, čo umožňuje vznik vzplanutia.

Rýchlosť úbytku hmotnosti ovplyvňuje:

 Šírenie plameňa a flashover (zväčšuje sa plocha počiatočného požiaru).

 Vyššia intenzita horenia na určitom povrchu paliva.

Každý z týchto dvoch mechanizmov potom závisí od troch navzájom úzko prepojených procesov, konkrétne:

 �������������� " – energia vyprodukovaná palivom, ale nepoužitá na odparovanie,

 ������������ň " – teplo z plameňa,

 �������� " – radiácia z okolia.

Keď je požiar na začiatku svojho rozvoja, veľká časť energie odovzdanej palivu sa spotrebuje na zvýšenie teploty paliva, a nie na tvorbu dymu z horiacej plochy. Príkladom je horiaci termoplast: ten dosiahne maximálnu rýchlosť úbytku hmotnosti až vtedy, keď sa veľké množstvo materiálu roztaví a vytvorí horiacu kaluž. Tento proces spotrebuje veľa energie. Po určitom čase však palivo a jeho neporušené povrchy budú mať prebytok tepla a �������������� " klesne.

Teplo z plameňa (počiatočné štádium rozvoja požiaru) čiastočne spôsobuje odparovanie materiálu (paliva) a čiastočne ohrieva materiál mimo ohniska požiaru. To má za následok šírenie plameňa a zväčšenie povrchu paliva. Rýchlosť šírenia plameňa závisí do veľkej miery od toho, ktoré materiály sú

zmiešané, ale možno ešte viac od usporiadania paliva okolo počiatočného ohniska požiaru. Napríklad

plamene sa budú šíriť oveľa rýchlejšie pozdĺž vertikálnej plochy v porovnaní s horizontálnou plochou.

Keď sa materiál skutočne zapáli, horľavé obloženie stien spôsobí, že sa plamene veľmi rýchlo rozšíria a vytvoria rozsiahle plamene pod stropom. Úroveň radiácie v miestnosti potom prudko stúpne. K tomu

často dochádza bezprostredne pred vznikom flashoveru v miestnosti (pozri obr. 6.3).

Obr. 6.3 Šírenie plameňa pod stropom [1]

Aj keď sme začali s vysvetlením šírenia plameňa materiálu na úrovni podlahy, princíp určujúci nárast rýchlosti úbytku hmotnosti je zjavne rovnaký, nech sa materiál nachádza kdekoľvek. Šírenie plameňa

môže spôsobiť flashover, pretože rýchlosť uvoľňovania tepla sa zvyšuje.

Úbytok hmotnosti materiálu, ktorý už horí v miestnosti, sa zvyšuje, keď sa zvyšuje úroveň tepelnej radiácie (vyžarovania) z horných častí miestnosti. Na základe nameraných hodnôt sa môže rýchlosť úbytku hmotnosti mnohonásobne zvýšiť, keď na materiál pôsobí vonkajšie žiarenie. Veľkosť tohto nárastu závisí od konkrétneho materiálu.

Pri požiari sa dym hromadí v priestore pod stropom. Horná časť miestnosti je preto naplnená dymom za predpokladu, že tieto plyny neuniknú žiadnym z dostupných otvorov. Uzavretý dym a horúce horné povrchy vytvárajú tepelné žiarenie, ktoré ovplyvňuje palivo aj ostatné horľavé povrchy. To napomáha ďalej zvyšovať rýchlosť úbytku hmotnosti na povrchoch, ktoré už horia, ako aj zohrievať akékoľvek iné potenciálne palivo. Tým sa zväčšuje veľkosť plameňa, čo zase zvyšuje teplotu, ktorá potom zvyšuje množstvo opätovného vyžarovania atď.

Žiarenie z okolitého prostredia tiež napomáha urýchliť proces šírenia plameňa. Ak je v požiarnom priestore dostatok paliva, dôjde k urýchleniu procesu.

5.4. Procesy prebiehajúce vo vrstve dymu

Typickou fázou procesu priestorového vzplanutia, t. j. flashoveru, je horenie vrstvy dymu (splodín horenia). Vrstva dymu sa zvyčajne zapáli bezprostredne pred vznikom flashoveru. O plameňoch v dyme sme hovorili už skôr a poznamenali sme, že ide o difúzne plamene. Je to preto, že plyny tvoriace dym nemajú čas na to, aby sa zmiešali, kým sa zapália, pretože celý čas je vzduch a v ňom obsiahnutý kyslík

"spotrebovaný" prebiehajúcim požiarom. Z tohto dôvodu nie je možné, aby sa nahromadilo väčšie množstvo vopred zmiešaných plynov. Ak vrstva dymu obsahuje nespálené plyny, môže dôjsť k ich horeniu, čo môže viesť k výraznému zvýšeniu úrovne vyžarovania tepla do okolitého prostredia. Nespálené plyny sa hromadia pri nedostatočnom prívode kyslíka. Ale aj keď je množstvo kyslíka dostatočné, vždy sa v dyme nahromadí určité množstvo nespálených plynov. Čím menej je k dispozícii kyslíka, tým viac nespálených plynov dym obsahuje. V týchto situáciách sa v dyme vyskytuje aj veľa pyrolýznych produktov, pochádzajúcich najmä z horľavého stropného materiálu. Keď sa plamene zväčšia, dosiahne sa štádium, keď horná časť plameňov prenikne vrstvou dymu a dotkne sa stropu. Situácia je kritická, keď vrchol plameňov dosiahne strop. Keď sa plamene šíria pozdĺž stropu, na povrchy v spodnej časti miestnosti sála veľké množstvo tepla. Keď teplota dymu pod stropom dosiahne približne 600 °C, môže nastať flashover [2]

Keď vrstva dymu klesá, znižuje sa prísun kyslíka do hornej časti plameňov a proces horenia sa stáva menej účinným. Teplota vrstvy dymu sa tiež zvyšuje, pretože do dymu preniká teplejší vzduch. Keď sa potom zvýši intenzita horenia, v dôsledku vyššej úrovne spätnej radiácie, veľká časť plameňov prenikne do vrstvy dymu, ktorej obsah teraz tvorí veľké množstvo nespálených plynov. Zároveň sa zníži množstvo kyslíka, až kým sa vrstva úplne nespotrebuje.

Počas rozvoja požiaru sa spodná časť vrstvy dymu stáva nestabilnou kvôli horiacej zmesi plynov, ktorá dosahuje teplotu 800 - 1 000 °C. To podporuje miešanie horúcich plynov a vzduchu vo vrstve dymu (obr. 6.4).

Obr. 6.4 Rozvoj požiaru pozdĺž spodnej strany vrstvy dymu [1]

Tým sa výrazne zvýši úroveň žiarenia, čo spôsobí zvýšenie rýchlosti úbytku hmotnosti. Ide o fázu, ktorá prebieha tesne pred tým, ako nastane fáza priestorového vzplanutia (flashoveru) všetkých materiálov v miestnosti.

Vyššie uvedené úvahy vychádzajú z predpokladu, že je k dispozícii dostatok paliva, aby sa zvýšila rýchlosť úbytku hmotnosti, ako aj voľný prístup vzduchu. Čím viac paliva je vo vrstve dymu, tým väčšia je pravdepodobnosť, že plamene budú horieť pozdĺž spodnej strany vrstvy. Toto bolo pozorované v mnohých experimentoch. Napriek tomu je však ťažké zovšeobecniť tvrdenie, že plamene vždy horia pozdĺž spodnej strany vrstvy dymu

Ďalším rozhodujúcim faktorom môže byť spôsob rozmiestnenia paliva v ohnisku požiaru. Tým sa riadi prúdenie vzduchu v miestnosti. Ak je vonkajšia vrstva stropu horľavá, hneď vedľa stropu sa vytvorí zmes bohatá na palivo, čo zvýši pravdepodobnosť horenia plameňov pozdĺž spodnej strany vrstvy. Je tiež ťažké spozorovať, kde presne sa plamene v miestnosti nachádzajú, pretože hustý dym sťažuje viditeľnosť plameňov.

5.5. Ohrozenie a bezpečnosť hasičov

Počas zásahu hasičských jednotiek je dôležité vedieť posúdiť úroveň ohrozenia v určitých situáciách.

Bezpečnosť hasičov nesmie byť za žiadnych okolností ohrozená. Hasiči sú v tomto smere obzvlášť zraniteľní, pretože často pracujú v nebezpečnom prostredí a ich úlohou je vyhľadávanie osôb v zadymených priestoroch.

Podmienky sa môžu dramaticky zmeniť v priebehu niekoľkých sekúnd. Je preto nesmierne dôležité, aby hasiči veľmi dobre poznali príznaky, ktoré naznačujú, že čoskoro môže dôjsť k flashoveru. V niektorých prípadoch musia byť schopní konať okamžite. [1,3]

Ako jeden z týchto znakov sa často používa farba dymu. To však nestačí. Pre rozpoznanie nebezpečenstva musia byť schopní zvážiť viacero rôznych ukazovateľov.

Farba dymových plynov neposkytuje dostatočný obraz o tom, ako bezprostredne hrozí vzplanutie. Je to preto, že v skutočnosti neexistuje jednoznačná súvislosť medzi farbou a tým, ako je situácia nebezpečná.

V mnohých prípadoch farba dymových plynov závisí od toho, či požiar vykazuje plamene alebo tlie.

Niektoré z nasledujúcich dymových plynov sú v odbornej literatúre popísané ako nebezpečné:

 hustý, čierny dym: často sa tvorí pri horení uhľovodíkov a obsahuje sadze, ktoré vytvárajú typickú farbu. Čím menej je požiar odvetrávaný, tým viac nespálených produktov vzniká.

 rýchle zmeny farby hustého dymu z čiernej na žltú alebo sivožltú.

 žltý dym, ktoré produkujú polyméry obsahujúce dusičnany a síru (napr. materiál na výrobu pneumatík).

 husté oblaky žltého dymu.

 biely studený dym, napr. z tlejúcej polyuretánovej peny.

Toto sú len niektoré príklady toho, čo môže zrejme naznačovať farba dymu. Keďže hustota a farba dymu závisí aj od druhu horiaceho materiálu, musíme preto zistiť aj obsah požiarnej miestnosti a jej geometriu. Keďže dym je niekedy potrebné skúmať v noci pri rôznych typoch pouličného osvetlenia alebo s použitím iných svetelných zdrojov, predstavuje to ešte väčšie problémy pri použití farby na získanie dostatočnej predstavy napríklad aj o príčine vzniku požiaru.

Teplota v miestnosti je rozhodujúcim faktorom pri prechode k zapáleniu. Nižšie je uvedený zoznam niektorých príznakov, ktoré možno použiť na predpovedanie flashover

Teplota v miestnosti sa výrazne zvýši. Zdá sa, že šírenie požiaru sa zrýchľuje. Keď teplota stúpa, rozdiel tlaku medzi miestnosťou a okolitým prostredím sa zvyšuje. Poloha neutrálnej roviny v otvore, t. j. poloha, v ktorej je rozdiel tlakov nulový, bude rýchlo klesať smerom nadol.

 V hornej časti vrstvy dymového plynu sa začnú objavovať plamene.

 S rastúcou teplotou sa zvyšuje aj rýchlosť prúdenia dymových plynov cez otvory.

 Všetky horľavé povrchy uvoľňujú pyrolýzne plyny v dôsledku prudkého zvýšenia úrovne radiácie v miestnosti.

Predmety v miestnosti dymia

 Pod stropom sa začnú šíriť plamene.

Existujú dve možné príčiny: materiál stropu je horľavý, čo spôsobuje šírenie plameňov pozdĺž stropu, alebo sú plamene z požiaru dlhšie ako výška stropu. Plamene sú potom nútené "ohýbať sa", aby našli kyslík na horenie. V oboch týchto situáciách, keď sa plamene šíria pozdĺž stropu, dochádza k výraznej miere opätovného vyžarovania vo všetkých častiach miestnosti, čo znamená, že sa môže pyrolyzovať viac paliva. Prechod od lokálneho požiaru k požiaru, ktorý zahŕňa celú kapacitu miestnosti, sa za určitých podmienok uskutoční veľmi rýchlo. Podľa pozorovaní počas veľkorozmerových požiarnych skúšok môže byť doba od momentu, keď sa situácia zmení z pokojnej, až po vznik priestorového vzplanutia v miestnosti, veľmi krátka, a to približne 15 - 20 s. To znamená, že je ťažké presne určiť, či hrozí alebo nehrozí priestorové vzplanutie. Rýchlosť rozvoja požiaru samozrejme do veľkej miery závisí od druhu použitého paliva a jeho usporiadania. Často trvá určitý čas, kým sa steny zahrejú, a požiar sa do tohto momentu často rozvíja pomerne pomaly.

Zhrnutie

Flashover sa vyskytuje v priestoroch, kde je počas určitej fázy vývoja požiaru zaistený dobrý prístup vzduchu. V miestnosti môže byť akýkoľvek druh otvoru. Už z definície flashoveru vyplýva, že sa musí dosiahnuť štádium plne rozvinutého požiaru, aby sme mohli povedať, že došlo k flashoveru

Pre jeho vznik sa vyžaduje určitá rýchlosť uvoľňovania tepla, ktorá zodpovedá určitej rýchlosti úbytku hmotnosti. Na rýchlosť úbytku hmotnosti má vplyv radiácia z plameňov, horúceho dymu a horúcich stien. Vo fáze flashover sa požiar najčastejšie mení z požiaru riadeného palivom na požiar riadený ventiláciou. Bezprostredne pred vzplanutím dochádza často k zapáleniu vrstvy dymu. To spôsobuje nestabilitu, čo znamená, že palivo a vzduch sa miešajú a horia. Tento proces je riadený difúznym plameňom. Vopred zmiešané (predzmeišané) plamene sa pri flashoveri vôbec nevyskytujú.

Flashover môže nastať v priebehu niekoľkých sekúnd. Preto je veľmi dôležité, aby mali hasiči dostatočné poznatky o tom, čo je flashover a o podmienkach, ktoré ho spôsobujú. To môže tiež pomôcť zabrániť hroziacemu flashoveru. Je to dôležité najmä pri väčších priestoroch alebo pri dlhých zásahových cestách.

Príznaky naznačujúce potenciálne priestorové vzplanutie sú spojené s nárastom teploty, ku ktorému dochádza: 1. v hornej časti vrstvy dymu sa začnú objavovať plamene; 2. rýchlosť prúdenia dymu cez otvory sa zvyšuje; 3. poloha neutrálnej roviny sa mení.

Farba alebo zmena farby dymu sa môže použiť ako znak len vtedy, ak je k dispozícii dostatok základných informácií o požiari.

Kontrolné otázky

1. Aký typ plameňov sa vyskytuje pri flashoveri?

2. Aké teploty sú dosahované vo fáze flashoveru?

3. Ako dlho trvá fáza flashoveru?

4. Ktoré mechanizmy sú rozhodujúce pre vznik flashoveru?

5. Aký druh ochrany možno zabezpečiť proti flashover?

6. Ktoré príznaky signalizujú nástup fázy flashover?

7. Aké procesy prebiehajú vo fáze iniciácie a rozvoja požiaru?

8. Aké procesy prebiehajú vo fázach flashover a plne rozvinutý požiar?

9. Ktoré faktory majú významný vplyv na rozvoj vnútorného požiaru?

10. Aký význam má faktor geometrie priestoru na rozvoj vnútorného priestoru?

Použitá literatúra

1. Bengtson L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p.

2. Custer, R. Dynamics of Compartment Fire Growth. NFPA Príručka požiarnej ochrany, 19th edition, 2003. p.

3. Drysdale, D. 1999. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1999, 451 s.

4. Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p.

5. F.I.R.E Enclosure Fire Dynamics. Dostupné online. (Cit. 21.05.2022)

6. Gorbett, G.E., Pharr, J.L. Fire Dynamics. 1st ed. Upper Saddle River, NJ, USA: Pearson, 2011, 574 p.

Doplnkové študijné zdroje

1. Demonštrácia flashover.

2. Oboznámenie sa s flashoverom.

6. FÁZA PLNE ROZVINUTÉHO POŽIARU A UHASÍNANIA

Keď požiar dosiahne post-flashover fázu alebo fázu plne rozvinutého požiaru (obr. 6.1), všetko dostupné palivo bude naďalej horieť tak rýchlo, ako rýchlo bude mať k dispozícii kyslík, až kým sa všetko palivo takmer nespotrebuje. Nie je to hranica, ktorú by bolo možné opakovane prekračovať.

Obr. 6.1 Fáza plne rozvinutého požiaru a uhasínania [1]

Post-flashover fáza rozvoja požiaru v typickej miestnosti je charakteristická zvyčajne požiarom riadeným odvetraním. Horí všetko palivo. Veľkosť požiaru od tohto momentu môže byť obmedzená množstvom vzduchu, ktorý môže vniknúť do priestoru. To je zvyčajne určené vztlakovými prúdmi horúcich plynov a vzduchu do a z miestnosti.

Výsledkom flashoveru je vo všeobecnosti plne rozvinutý požiar v priestore. Pri plne rozvinutom požiari v priestore sa časť horenia odohráva mimo priestoru. Je to vlastne spôsobené tým, že požiar je riadený odvetraním, čo znamená, že produkuje nadbytok horľavých plynov. V dôsledku toho budú plamene unikať von cez otvory v budove. Plne rozvinutý požiar v priestore môže trvať dlho, niekedy aj niekoľko hodín, najmä v závislosti od množstva paliva v priestore. Bežné sú teploty 800 - 900 °C. Pokiaľ je v priestore k dispozícii palivo a prístup kyslíka na horenie, teplota zostane na tejto úrovni [2].

Už dlhší čas sa kladú veľmi vysoké požiadavky na to, aby budovy obsahovali konštrukčné prvky s dostatočnou požiarnou odolnosťou. Podľa dostupných štatistík sú usmrtenia a zranenia ľudí pri požiari len veľmi zriedkavo spôsobené zrútením konštrukcie budovy. Má to svoje odôvodnenie, najmä v prípade budov, ktoré sa počas požiaru nedajú úplne evakuovať. Pre hasičov je tiež dôležité, aby sa mohli

spoľahnúť na nosnosť konštrukcie. Nosná konštrukcia sa stavia podľa druhu budovy. Zvyčajne sú budovy

schopné udržať si pri požiari nosnosť až na niekoľko hodín.

Medzi ďalšie faktory ovplyvňujúce plne rozvinutý požiar v priestore patria:

 množstvo a druh horľavého materiálu

 hustota, tvar a usporiadanie materiálu

 množstvo dostupného vzduchu

 veľkosť a geometria priestoru

 vlastnosti konštrukcie obklopujúcej priestor

Nakoniec sa dostupné palivo vyčerpá a plameňové horenie sa postupne vytráca. Fáza uhasínania

požiaru môže trvať dlho a v tomto prípade je bežné, že sa požiar vráti do stavu, keď je riadený palivom V tejto fáze je veľmi častý výskyt požiarov prejavujúcich sa tlením [3]

Vysoké teploty môžu pokračovať, kým je k dispozícii vhodné palivo, v závislosti od odvetrania a izolácie. Niektoré produkty pokračujú v pyrolýze za vzniku oxidu uhoľnatého a iných plynných palív, ako aj toxických plynov, pevných sadzí, kvapalných aerosólov a iných palív vo forme dymu. Ak miestnosť nie je dostatočne vetraná, tieto produkty horenia sa môžu nahromadiť a vytvoriť zápalnú zmes pár. Keď v prítomnosti zdroja vznietenia dôjde k prívodu čerstvého vzduchu, takéto nahromadené pary môžu

deflagrovať do sekundárneho požiaru, ktorý sa niekedy nazýva backdraft, flash fire alebo explózia dymu Toto vznietenie môže prebiehať explozívnou rýchlosťou a hoci vzniknutý tlak je nízky v porovnaní s deflagráciou pár paliva a vzduchu, môže vytvárať tlak rádovo 3 až 10 kPa (30 až 100 mbar) alebo vyšší Tento tlak je dostatočný na poškodenie konštrukcie budov a ohrozenie životov. Konštrukčný materiál v tejto fáze často stráca časť svojej pevnosti v dôsledku pôsobenia tepla. To môže viesť k lokálnemu alebo úplnému zrúteniu budovy. Materiály vyrobené z ocele sú veľmi citlivé na teplo a pri teplote 500 °C strácajú polovicu svojej pevnosti. Betón si pri teplote 500 °C zachováva približne 75 % svojej pevnosti. Veľkosť drevených konštrukcií sa v dôsledku horenia zmenšuje a na konštrukcii sa vytvára vrstva uhlíka. Drevené trámy sa stávajú tenšími, čo ich robí slabšie. Čím menší je prierez, tým menšia je pevnosť.

Použitá literatúra

1. Bengtson, L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p.

2. Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p.

3. Gorbett, G.E., Pharr, J.L. Fire Dynamics. 1st ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2011, 574 p.

7. ZMENY TLAKU PRI VNÚTORNÝCH POŽIAROCH

V tejto sa kapitole sa venujeme problematike zmeny tlaku a charakteristike tlakových profilov pri požiaroch vznikajúcich v otvorených (ventilovaných, alebo odvetrávaných) aj uzavretých (neventilovaných, neodvetrávaných) miestnostiach. Zmeny tlaku sú dôležité pri riadení pohybu dymu a vzduchu cez otvory, ktoré sa v budove vždy nachádzajú. Tlakové podmienky sa prirodzene líšia, ak má miestnosť veľké otvory, v porovnaní s tým, ak je miestnosť viac alebo menej uzavretá. Pripomíname, že ešte stále sa nachádzame v počiatočnej fáze vývoja požiaru.

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Charakterizovať tlakové podmienky, ktoré sa vyskytujú pri požiaroch v otvorených a uzavretých priestoroch.

 Opísať postupy, ktoré sa používajú na zníženie tepelnej inercie pri požiari.

 Charakterizovať tepelný vztlak a jeho význam pri rozvoji požiaru.

 Opísať vplyv tlaku v miestnosti na rozvoj požiaru, ak ide o uzavretú alebo takmer úplne uzavretú miestnosť.

 Opísať vývoj tlaku v miestnosti po zapálení vrstvy dymu.

 Vypočítať vybrané charakteristiky tlaku pre vnútorné požiare.

Kľúčové slová: dvojzónový model, hmotnostný tok plynov, pretlak, prietok plynov, tepelná inercia, tepelný vztlak, tlak,

7.1. Teoretické východiská vo vzťahu k tlakovým podmienkam vznikajúcim v otvorených a v uzavretých priestoroch

Je veľmi dôležité vedieť vyhodnotiť tlakové podmienky v miestnosti počas požiaru. Tlakové podmienky sú veľmi dôležité, pretože ovplyvnia výsledok našej činnosti, a to nielen pri vetraní, ale aj pri hasení požiaru.

Zameriame sa na rozdiely v tlaku súvisiace s požiarom. Dôležité je tiež rozlišovať medzi tlakovými rozdielmi a absolútnym tlakom. Atmosférický tlak a rozdiel tlaku, ktorý vzniká na stranách otvoru sú rôzne pojmy.

Plyny vždy prúdia z oblasti s vyšším tlakom do oblasti s nižším tlakom Odvod dymu (splodín horenia) z miestnosti s požiarom a prívod vzduchu do tejto miestnosti je preto určený rozdielom tlaku v miestnosti s požiarom a okolitou atmosférou.

Jednotkou tlaku je pascal (Pa). Normálny atmosférický tlak je zvyčajne 101 300 Pa alebo 101,3 kPa.

Na porovnanie uvádzame, že tlak 1 Pa sa rovná tlaku, ktorý vyvíja list papiera na doske stola. Pri tlaku

100 Pa je ťažké otvoriť dvere v miestnosti. Sklo s hrúbkou 1 mm a plochou 1 m2 môže prasknúť pri

pretlaku 1 000 až 5 000 Pa, a to v závislosti od konštrukcie a spôsobu upevnenia.

Vzniknuté tlakové rozdiely je možné rozdeliť do dvoch kategórií. Prvá kategória je založená na tlaku, ktorý vzniká pri samotnom požiari. Druhá kategória je založená na bežných rozdieloch tlaku, ktoré sú

vždy spojené s budovou alebo medzi budovou a jej okolím a ktoré môžu prispieť k šíreniu dymu v prípade požiaru.

Normálne tlakové rozdiely možno rozdeliť na tri typy:

 Rozdiely v tlaku vznikajúce v dôsledku rozdielov teplôt medzi vonkajším a vnútorným vzduchom.

 Rozdiely v tlaku spôsobené nárazmi vetra.

 Rozdiely v tlaku spôsobené mechanickou ventiláciou.

Rozdiely v tlaku vznikajúce pri požiari možno klasifikovať do dvoch typov:

 Rozdiely v tlaku vyplývajúce zo zníženia tepelnej rozťažnosti.

 Rozdiely v tlaku vyplývajúce zo vztlaku dymu.

Relatívna veľkosť týchto faktorov sa mení v závislosti od konštrukcie a polohy budovy, vonkajších vplyvov atď. Tieto sa môžu veľmi líšiť v rámci budov, medzi rôznymi budovami, ako aj v priebehu času. Je však prirodzené, že v blízkosti požiaru dominujú rozdiely v tlaku, ktoré vytvára samotný požiar. Keď sa vzdialenosť od požiaru zväčší a vrstva dymu sa ochladí, normálne tlakové rozdiely sú oveľa dominantnejšie.

Rozdiely v tlaku spôsobujú prúdenie dymu (spalín), ktoré sa rýchlo šíria do priľahlých častí budovy. K tomuto procesu šírenia môže dochádzať cez vetracie otvory alebo otvory v strope, podlahe alebo stenách, po chodbách, hore (a v niektorých prípadoch aj dole) vertikálnymi šachtami určenými pre schodiská, výťahy alebo ventiláciu, ako aj cez potrubia ventilačného systému.

V ďalších častiach sa zameriavame na rozdiely v tlaku, ktoré vznikajú pri požiari. Tieto rozdiely si podrobne rozoberieme na príklade tlakových podmienok, ktoré vznikajú v rámci troch uvažovaných

scenárov:

1. Miestnosť je zatvorená alebo takmer úplne zatvorená.

2. Miestnosť je otvorená, otvorené sú dvere alebo okno.

3. Vznik tlaku v miestnosti pri zapálení vrstvy dymu.

7.1.1. Zníženie tepelnej rozťažnosti

Keď vypukne požiar v úplne uzavretom priestore, tlak sa zvýši. Je to dôsledok toho, že splodiny horenia (dym) sa zahrievajú, ale nemôžu sa rozpínať.

Ak sú rozdiely v teplotách len malé alebo mierne, vzniknutý tlak je malý, ale v prípade požiarov, kde teplota môže dosiahnuť niekoľko stoviek °C, môže mať vzniknutý rozdiel v tlaku značný účinok, najmä ak sa požiar rýchlo rozvíja. Ak je intenzita požiaru konštantná, tlak bude lineárne stúpať, t. j. v priebehu času sa lineárne zvyšuje.

Tlak v uzavretej miestnosti je zriedkakedy dostatočne vysoký na to, aby došlo počas požiaru k prasknutiu okenných tabúľ a náhlemu prísunu vzduchu do priestoru požiaru. Je to preto, že väčšina miestností nie je úplne tesná. V požiarnej miestnosti sa zvyčajne vyskytuje nejaký druh netesnosti, napríklad vo forme klimatizácie alebo uvoľneného tesnenia okolo okien a dverí. To znamená, že zvýšenie tlaku je zvyčajne len okolo 10 až 20 Pa. V niektorých prípadoch môže tlak dosiahnuť možno až niekoľko stoviek Pa. Ak má otvor plochu 1 m2 , kladný tlak spôsobený tepelnou rinerciou bude rádovo 0,1 Pa, t. j. veľmi nízky. To znamená, že ak požiar vznikne v miestnosti s bežnými okennými otvormi, nárast tlaku spôsobený klesajúcou tepelnou inerciou možno zvyčajne ignorovať. Zvýšenie tlaku rádovo o niekoľko stoviek Pa je bežné pre typové požiaroch vznikajúce v uzavretých priestoroch.

7.1.2. Tepelný vztlak

V požiarnej miestnosti vzniká rozdiel tlaku v dôsledku ohrievania vzduchu (splodiny horenia). Horúce plyny majú nižšiu hustotu ako pôvodný vzduch v miestnosti, a preto stúpajú nahor. Tento jav označujeme ako tepelný vztlak.

Potom máme hornú vrstvu horúceho dymu a spodnú vrstvu pozostávajúcu prevažne zo vzduchu. Pohyb dymu smerom nahor môže byť sťažený, keď dosiahnu strop, ale plyny si stále zachovávajú svoj tepelný vztlak, ktorý ovplyvňuje rozdiel tlaku cez otvory v miestnosti.

Pokiaľ má dym vyššiu teplotu ako okolitý vzduch, a teda nižšiu hustotu, bude stúpať nahor. V dôsledku vztlaku spolu s tepelnou inerciou dym uniká cez otvory umiestnené vysoko v miestnosti.

Často to možno jasne vidieť na otvoroch v miestnosti, pričom čerstvý vzduch prúdi cez otvory nižšie a horúci dym prúdi von cez hornú časť.

Dym (splodiny horenia) sa pri stúpaní smerom nahor ochladzujú, pretože sa do nich mieša studený vzduch. To znamená, že v prípade vysokých budov nemusí dym dosiahnuť strop. Podobne môže dym klesať k podlahe, keď prúdi do chodby a ochladzuje sa pozdĺž stropu a stien.

Dym prúdi z prostredia s vyšším tlakom do prostredia s nižším tlakom. V dôsledku rozdielu tlakov v hornej časti miestnosti, dym sa šíri cez všetky otvory, ktoré sa v miestnosti nachádzajú. To znamená, že v hornej časti miestnosti je v porovnaní s vonkajšou časťou kladný tlak. Výsledkom je únik dymu. Rozdiel tlaku v dolnej časti miestnosti je v porovnaní s vonkajším prostredím záporný. To znamená, že je tam záporný tlak a studený vzduch sa nasáva cez spodné otvory. V priestore medzi hornou a dolnou časťou je tlakový rozdiel nulový. Táto poloha je známa ako výška neutrálnej roviny.

7.1.3. Tlak v uzavretej alebo takmer úplne uzavretej miestnosti

Ako sme už spomínali, tlak závisí od toho, aký veľký je únik dymu (spalín) z miestnosti. Ak by bola miestnosť úplne uzavretá, tlak by bol extrémne vysoký a rozbil by napríklad okenné tabule. To sa v prípade bežného požiaru v priestore nestane.

Domy majú bežné netesné oblasti. Normálnu hodnotu pre netesné oblasti zvyčajne vypočítame ako

1,25 cm2 na 1 m2 povrchu miestnosti. To zvyčajne znamená, že tlak spôsobený zníženou tepelnou inerciou môže dosiahnuť maximálne niekoľko stoviek Pa a veľmi často je ešte nižší, rádovo 20 až 30 Pa.

7.1.4. Tlak v otvorenej miestnosti

Pri vzniku požiaru v uzavretom priestore sa zvyčajne vytvorí dvojzónová vrstva s hornou vrstvou horúceho dymu a spodnou studenou vrstvou vzduchu. Tieto vrstvy sa zvyčajne stabilne tvoria v určitej vzdialenosti od podlahy.

Zároveň platí, že so zvyšujúcou sa výškou nad podlahou, krivka tlaku má záporný sklon, t. j. atmosférický tlak klesá.

Na začiatku požiaru je v celej miestnosti pretlak (Obr. 5.1). Ak je v miestnosti nejaký otvor, vzduch je cez tento otvor vytlačený von, čo je spôsobené zvýšením tlaku spôsobeného požiarom. Vrstva dymu sa dostáva veľmi rýchlo dole na spodnom okraji otvoru a dym začne unikať. Tepelná inercia zároveň naďalej vytláča studený vzduch, ktorý udržiava v celej miestnosti pretlak.

Obr. 5.1 Tlakové podmienky v miestnosti na začiatku požiaru – pretlak [1]

Keďže požiar sa zvyčajne zistí až vtedy, keď z miestnosti začne unikať dym (ak nie je nainštalovaný požiarny detektor alebo automatický požiarny alarm), až vtedy dochádza k ohláseniu požiaru a následne aj k príchodu hasičskej jednotky.

Nasledujúce dve fázy sú pre hasičov počas požiaru najdôležitejšie V prvej z týchto dvoch fáz (pozri obr. 5.2) sa zmenia podmienky prúdenia tak, že do požiarneho priestoru začne prúdiť studený vzduch a vytvorí sa neutrálna rovina. Výška neutrálnej roviny, t. j. výška, v ktorej je tlak v požiarnom priestore rovnaký ako tlak v atmosfére, je znázornená na obrázku.

Obr. 5.2 Výška neutrálnej roviny [1]

Pod neutrálnou rovinou je záporný tlak a nad neutrálnou rovinou je kladný tlak v porovnaní s atmosférou. Teplota plynu je jedným z faktorov, ktoré určujú veľkosť rozdielu tlakov.

Tlakové podmienky v čase výskytu flashover sú znázornené na obrázku 5 3.

Obr. 5.3 Tlakové podmienky v čase flashoveru [1]

Priestor je úplne vyplnený dymovými plynmi alebo došlo k vzplanutiu a tlakové krivky sú znázornené dvoma rovnými čiarami. V dolnej časti je podtlak a v hornej časti priestoru je pretlak.

7.1.5. Zvýšenie tlaku v miestnosti po zapálení splodín horenia

Táto časť sa zaoberá tlakom, ktorý vzniká pri vznietení zmesi plynov v pomerne uzavretej miestnosti.

Zmeny tlaku sa môžu vyskytnúť v rôznych fázach vývoja požiaru a nie len v počiatočnom štádiu rozvoja požiaru. Táto časť poskytuje aj informácie o tom, ako dobre jednotlivé časti budovy odolávajú tlaku. Dym (spaliny) sa môže vznietiť nielen v aktuálnom požiarnom priestore, ale aj v iných priestoroch, kam prenikol.

Nárast tlaku je spôsobený zväčšovaním objemu plynov pri ich zapálení. Zvýšenie objemu rýchlo vedie k zvýšeniu tlaku.

Rozdiely medzi vopred zmiešanými a nezmiešanými plynnými hmotami

Ak dôjde k výbuchu v uzavretej miestnosti, vznikne v nej tlak. Je to spôsobené rozpínaním plynnej hmoty pri reakcii, pri ktorej sa uvoľňuje energia. Ak v miestnosti nie sú žiadne otvory alebo sú otvory veľmi

malé, tlak sa v miestnosti zvýši. Aj keď sú otvory väčšie, možno nie sú dostatočne veľké na to, aby dokázali znížiť tlak v miestnosti.

V predchádzajúcej časti sme sa zaoberali tým, ako sa zapaľujú rôzne zmesi plynov. Rýchlosť horenia sa mení v závislosti od rôznych faktorov. Ak je plynná hmota vopred zmiešaná, plyny sa veľmi rýchlo rozpínajú. Pri vopred zmiešanej zmesi plynov sa plamene šíria rýchlosťou u 3 až 5 m∙s-1 Tepelná inercia bude v tomto prípade vyššia ako pri difúznom plameni šíriacom sa vo vrstve dymu. Podľa toho, ako je priestor uzavretý, môžeme vypočítať, o koľko sa zvýši tlak v priestore. Čím väčšie sú otvory, tým menší je nárast tlaku. Je potrebné si uvedomiť, že pri zapálení vopred zmiešanej zmesi plynov sa plamene šíria a tlak sa zvyšuje veľmi rýchlo, niekedy v priebehu sekundy.

Pri väčšine požiarov nie je zmes plynov vopred premiešaná. Ak by bola zmes plynov vopred premiešaná, pri bežných požiaroch v miestnosti by došlo k vytlačeniu dvier a okien. To sa však v skutočnosti nedeje. Pri požiari v domácnosti sa dvere a okná v dôsledku tlaku rozbijú len veľmi zriedkavo.

So zapálením vopred zmiešaných zmesí plynov sa často používa, keď sa hovorí o požiaroch, pojem deflagrácia (explozívne horenie s rýchlosťou nižšou ako rýchlosť svetla) Znamená, že pred zapálením došlo k vopred k zmiešaniu veľkého objemu plynov tvoriacich dym so vzdušným kyslíkom. Čím bližšie je zmes k stechiometrickému bodu, tým vyšší bude nárast tlaku. Je to preto, že rýchlosť čela plameňa je vyššia. Explóziu možno definovať ako exotermický chemický proces, ktorý, keď prebieha pri konštantnom objeme, vedie k náhlemu, výraznému zvýšeniu tlaku.

Za veľmi špecifických podmienok je možné, aby sa plamene šírili ešte rýchlejšie, v skutočnosti rýchlejšie ako rýchlosť zvuku. Tento jav sa nazýva detonácia. Pri detonácii dochádza k reakcii, keď sa plyn a vzduch zmiešajú v dôsledku stlačenia a zahriatia plynov, čo nasleduje po výbuchu alebo rázovej vlne.

Rázová vlna a čelo plameňa sú navzájom prepojené a prechádzajú zmesou plynu a vzduchu vysokou rýchlosťou. Táto rýchlosť často dosahuje rýchlosť zvuku. Tlak vznikajúci pri detonácii je mimoriadne vysoký a môže dosahovať až 20 bar. Tento tlak vzniká v priebehu niekoľkých milisekúnd (ms). Keď dôjde k detonácii, rýchlosť a hustota v reakčnej zóne klesajú, zatiaľ čo tlak sa zvyšuje.

Detonácie sa takmer nikdy nevyskytujú spolu s požiarmi. K detonáciám, ktoré sa vyskytli, došlo pri zmesiach v úzkych potrubiach, kde bol pomer medzi dĺžkou a priemerom potrubia veľmi veľký. V potrubiach však dochádza k detonáciám len zriedka

7.2. Tlakové rozdiely v susedných priestoroch

Plyny v miestnosti, v ktorej prebieha požiar, sú charakterizované ako rozvrstvené plyny, keď ich možno rozdeliť na hornú horúcu a spodnú studenú vrstvu (má vlastnosti okolia), alebo ako dobre premiešané plyny, ak má plyn vo vnútri miestnosti rovnakú teplotu v celom objeme.

Ak má miestnosť otvory do susedných priestorov, nastáva prúdenie plynov z miesta vyššieho tlaku do miesta nižšieho tlaku. Výmena plynov cez otvory nie je ideálna (pohyb bez trenia, nestlačiteľnosť, izotermickosť). Odpor voči toku je vyjadrený efektívnym prechádzaním cez časť otvorov, čo zohľadňuje koeficient prietoku Cd ~ 0,7.

Tlakové rozdiely sú dané rozdielom hydrodynamického tlaku (statický tlak v otvore v danej výške, keď objem plynu prechádza zo stavu pokoja do pohybu s rýchlosťou v) a rozdielom hydrostatického tlaku (spôsobený tiažou stĺpca plynu alebo kvapaliny). V určitej výške je tlakový rozdiel studenej a horúcej vrstvy plynu nulový – vzniká neutrálna rovina.

Poznáme dve kategórie tlakových rozdielov:

A) spôsobené požiarom,

B) prirodzené.

Typy Δp spôsobené požiarom:

A1) dôsledok termickej expanzie v uzavretom priestore, cez štrbiny sa vyrovnáva, väčšinou sa zanedbáva (uvažujeme pri scenároch požiaru uzavretých miestností – lodná strojovňa),

A2) dôsledok vztlaku alebo rozdielu hustôt horúcich a studených plynov (rozširovanie dymu).

Typy prirodzených Δp:

B1) rozdiel hustôt vo vnútri a vonku v dôsledku rozličnej teploty (zákonitosti ako A2),

B2) vplyv veterného zaťaženia stavby (aerodynamický koeficient),

B3) vplyv mechanickej ventilácie (odstránenie dymu), prúdenie je väčšinou zanedbateľné vzhľadom na prietok vyvolaný vztlakom.

7.3. Charakteristiky tlaku pre vnútorné požiare

Hydrostatický tlak vzduchu sa zvyšuje s hmotnosťou jeho stĺpca, môže byť vyjadrený ako tlakový rozdiel vo vzťahu k atmosférickému tlaku p0. Rozdiel hydrostatického tlaku je daný súčinom výšky stĺpca plynu (h), jeho hustoty (ρ) a gravitačného zrýchlenia (g), viď rovnicu (7.1).

∆p = h · ρ · g (7.1)

Uvažujeme o miestnosti s dvoma otvormi v rôznych výškach nad sebou a teplota plynov vo vnútri Tg je konštantná a platí Tg > Ta. Pre horný otvor ∆pu > 0, preto teplé plyny unikajú von, pre dolný otvor: ∆pl

< 0, vonkajší studený vzduchu vniká dnu (komínový efekt). Neutrálna rovina leží vo výške danej priesečníkom tlakových profilov (nulový tlakový rozdiel), výšku ovplyvňuje rozdiel teplôt a geometria otvorov (obr. 7.1).

Obr. 7.1 Tlakové rozdiely a neutrálna rovina [2]

Využitím Bernoulliho rovnice pre prietok plynov v rôznych výškach (h1, h2) a spojením hydrostatických a hydrodynamických konceptov dostávame (7.2).

Pre rýchlosť pohybu horúcich plynov von cez horný otvor a vzduchu dnu cez dolný otvor na základe rozdielu tlakov podľa obr. 7.2 dostávame (7.3 a 7.4) pre stred otvorov. H je vzdialenosťou stredov otvorov, A je plocha otvoru, hu je vzdialenosť od neutrálnej roviny k stredu horného otvoru, hl je vzdialenosť neutrálnej roviny od stredu dolného otvoru.

Obr. 7.2 Výmena plynov cez dva otvory nad sebou [2]

Rovnice sa uvádzajú častejšie v závislosti na teplote s využitím vzťahu (7.5).

7.4. Hmotnostný tok plynov cez otvory

Ak uvažujeme konštantný tlakový rozdiel v celej výške otvoru a konštantnú rýchlosť prúdenia plynov (výnimkou sú okraje otvoru), hmotnostný tok cez horný otvor (����) vypočítame podľa (7.6) a cez dolný otvor (����) podľa (7.7).

Pre výmenu plynov cez otvory platí

je daná poloha neutrálnej roviny, využijeme vzťah H = hu + hl. Pomer medzi výškami vyjadríme pomocou hustôt alebo teplôt plynov (7.8).

7.5. Tlakové profily pri vnútorných požiaroch s odvetraním

Pri veľkých otvoroch (okná, dvere), ∆p kolíše od pozitívnych do negatívnych hodnôt cez výšku otvoru.

Pre správny popis je potrebné rozlíšiť 4 fázy rozvoja požiaru s rôznymi tlakovými profilmi - fázy A, B, C, D (obr. 7.3). V prvých dvoch fázach (A, B) sa používa na popis dvojzónový model. Vrstva relatívne čistého vzduchu zasahuje do výšky HD od podlahy, závisí od hrúbky dymovej vrstvy. V celom priestore je kladný

∆p. Vo fáze A prúdia von studené plyny, vo fáze B prúdia von horúce aj studené plyny. Vo fáze C sa na popis používa rozvrstvený dvojzónový model. HN je výška neutrálnej roviny, nad HN prúdia horúce plyny von, vo výške HN nedochádza k výmene plynov, lebo rozdiel tlakov je nulový, pod HN je ∆p negatívny, chladný vzduch prúdi dnu. Pre výpočet musíme poznať HN a HD. Fáza D je plne rozvinutý požiar, na popis sa používa jednozónový model, horúce plyny takmer dosiahli podlahu, oba tlakové profily sú lineárne, pretínajú sa v HN, ∆p je pod ňou negatívny, nad ňou pozitívny.

Obr. 76.3 Tlakové profily a výšky vo fázach výmeny plynov A, B, C, D [2]

7.5.1. Výmena plynov pre dvojzónový model

V hornej časti priestoru sa nachádza vrstva horúcich plynov, v dolnej studený vzduch s teplotou okolia (obr. 7.4). Všetky výšky sú merané od spodného okraja otvoru, ktorý má výšku Ho a šírku W, výška neutrálnej roviny HN a výška zadymenia HD sú neznáme, tlakový profil rozdelíme do troch úrovní, prvá úroveň je nad HN, kde prúdia horúce plyny von (7.9), druhá úroveň je medzi HN a HD, kde vzduch prúdi dnu (7.10) a tretia úroveň je pod HD a vzduch prúdi dnu (7.11).

Obr. 6.4 Hmotnostný tok plynov – dvojzónový model [2]

V rovniciach sú dve neznáme HN a HD, ktoré sú vo vzťahu k výške otvoru Ho, preto nie je explicitné riešenie pre výšku neutrálnej roviny. V praktických výpočtoch býva zadaná jedna z týchto výšok, najčastejšie je to HD.

7.5.2. Výpočet výmeny plynov pre jednozónový model

Predpokladom je rovnaká teplota v celom objeme priestoru, rôzna od vonkajšej. Dá sa aplikovať pre fázu post-flashover, keď horúce plyny zaplnili celý priestor (obr. 7.5). Hmotnostný tok sa mení s výškou od neutrálnej roviny, preto sa zavádza výška z. V zóne +z prúdia horúce plyny z miestnosti, v zóne –z prúdi studený vzduch do miestnosti.

Obr. 7.5 Hmotnostný tok plynov – jednozónový model [2]

Z rovnosti hmotnostného toku horúcich plynov otvorom von (7.12) a vzduchu otvorom dnu (7.13) sa dá odvodiť výška neutrálnej roviny HN, ktorá je totožná s výškou hl. (7.14).

Na zjednodušené odhady sa používa rovnica rýchlosti hmotnostného toku (6.15), ktorá platí pre požiare, kde Tg > 300 °C.

7.5.3. Prietok plynov cez strešné otvory

V miestnosti s výškou H sa nachádza vrstva čistého vzduchu do výšky HD, neutrálna rovina je vo výške

HN. Spaliny sú odvádzané cez stropný otvor s plochou Ac, vzduch prúdi dnu cez otvor pri podlahe s plochou Al (obr. 6.6).

Obr. 7.6 Prietok plynov cez strešné otvory [2]

Z rovnosti hmotnostného toku cez stropný otvor (7.16) a dolný otvor vyjadríme výšku neutrálnej roviny

Limitujúcimi podmienkami je konštantná teplota plynov, vietor nesmie mať vplyv na tlakové rozdiely.

Aby cez veľkú plochu strešného otvoru nevznikal dvojsmerný tok, je rozdelený na viac malých otvorov.

Odhad teploty horúcich plynov v priestore požiaru je dôležitou informáciou pre stanovenie nebezpečných podmienok pre ľudí, vznik flashoveru, kolaps konštrukčných prvkov ale aj spätný tepelný tok na horľavé látky.

Dosiahnutá teplota závisí od celkového uvoľneného tepla. Môže byť vyjadrené ako požiarne

zaťaženie, čo je celková energia uvoľnená horením všetkých horľavých materiálov, Q (MJ). Hustota požiarneho zaťaženia je požiarne zaťaženie na jednotku plochy, Q“ (MJ∙m-2). Simulované požiarne

zaťaženie zohľadňuje geometriu požiarnych úsekov, otvorov, množstva horľavej látky a termických

vlastností materiálov.

7.6. Teplota plynov pri požiari

Odvod tepla a spalín z priestoru požiaru sa uskutočňuje cez otvory. Ventilačný faktor je úmerný

Rýchlosť prietoku vzduchu cez otvory počas fázy post-flashover je úmerná ventilačnému faktoru ���� ∙

√���� (Ao je plocha otvoru, Ho je výška otvoru). Delením ventilačného faktoru celkovou plochou ohraničujúcich povrchov At dostávame faktor otvorov ��

7.6.1. Odhad teploty plynov

Významnou charakteristikou pre hodnotenie prostredia pri vnútorných požiaroch je teplota plynov. Uplatňujú sa rôzne prístupy pre fázu pre-flashover a post-flashover. Vo fáze pre-flashover je potrebné

zabezpečiť únik ľudí do 30 min. Na nárast teploty vplýva HRR. Teplota závisí od polohy, je vysoká v plameňoch, zmeny vo vzostupnom prúde spalín spôsobuje ochladzovanie nasávaným vzduchom.

Jednoduchý popis umožňuje dvojzónový model (horúca horná vrstva, dolná s teplotou okolia). Vo fáze post-flashover je potrebné zabezpečiť 0,5-3 h bez kolapsu konštrukcie. Využíva sa jednozónový model (celá miestnosť vyplnená plynmi rovnakej teploty).

7.6.2. Výpočet teploty plynov vo fáze pre-flashover

Východiskom je energetická a hmotnostná rovnováha so zahrnutím hmotnostného toku plynov.

Miestnosť má výšku otvoru Ho, plochu otvoru Ao, steny s hrúbkou δ, tepelnou vodivosťou k, hustotou ρ a tepelnou kapacitou c (obr. 7 7).

Obr. 7 7 Teploty plynov v dvojzónovom modeli [2]

Pre rôzne vyjadrenia energetickej rovnováhy je dôležitý vplyv dominantných a vedľajších faktorov

Dominantné sú: HRR, rýchlosť úbytku energie v dôsledku úniku plynov otvorom a rýchlosť úbytku energie

ohrevom ohraničujúcich povrchov (7.18). Ohrev stien zahŕňa konvekciu na tuhé povrchy a kondukciu do tuhej látky, ktorá je dominantná (7.19). Vedľajšie procesy: tepelné straty radiáciou cez otvory a ohrievanie plynov.

Kde cp je izobarická tepelná kapacita, hk je koeficient efektívnej tepelnej vodivosti tuhých ohraničujúcich povrchov, AT je plocha povrchov bez otvorov.

Z analýzy teploty plynov pre reálne požiare a z konštantných hodnôt (tiažové zrýchlenie, hustota vzduchu, teplota studeného vzduchu) bola odvodená rovnica pre zvýšenie teploty hornej vrstvy (7.20).

Pri výpočte prenosu tepla kondukciou do tuhej látky sa využíva plocha kontaktu horúcich plynov so stenami, tá sa mení pri zostupnom posune neutrálnej roviny. Neuvažuje sa s ochladzovaním povrchu, t. j. Ts = Tg. Ak je ohraničujúca stena tenká, alebo proces vyrovnania teploty prebieha dlho, uvažujeme o stacionárnom priebehu procesu kondukcie. Pre kombináciu materiálov (strop, steny, podlaha) a pre kompozitné vrstvené materiály je potrebné využiť zložitejšie rovnice pre výpočet koeficientu efektívnej tepelnej vodivosti (hk). Rovnicu (7.3) možno využiť v teplotnom intervale 20-600 °C a ohnisko požiaru nesmie byť ovplyvňované stenami. Tato rovnica popisuje rýchlosť prúdenia plynov von z miestnosti

Dôležitou otázkou je predpovedanie vzniku flashoveru, t. j. stavu, keď teplota hornej vrstvy dosiahne 500-600 °C. Využíva sa rovnica pre výpočet rýchlosti uvoľňovania tepla na dosiahnutie teploty flashoveru (7.4). Pre steny z betónu je čas stacionárneho vedenia tepla niekoľko hodín, požiar pomaly narastá do dosiahnutia ������.

7.6.3. Výpočet teploty plynov v post-flashover

Základom výpočtov a meraní je požiarne zaťaženie komponentov podľa normovej teplotnej krivky alebo simulovaného prirodzeného požiarneho zaťaženia. Normová teplotná krivka (štandardná, ISO 834) (7.5), kde t je čas v min (obr. 6.2), sa používa na klasifikáciu testovaných elementov podľa času do štrukturálneho kolapsu alebo zlyhania funkcie. Pre špeciálne prípady sa používajú zaťaženia podľa podobných kriviek, napr. uhľovodíková a teplotná krivka vonkajšieho požiaru.

Obr. 7 8 Normová teplotná krivka [2]

Simulované prirodzené požiarne zaťaženie vychádza z teplotno-časovej krivky v závislosti na hustote požiarneho zaťaženia, faktore otvorov a termických vlastnostiach ohraničujúcich povrchov. Hustota požiarneho zaťaženia sa vypočíta podľa (7.23), kde Mi je hmotnosť a ∆Hef,i je efektívne spaľovacie teplo. Ak nie je známe vnútorné zariadenie, uvádzajú sa štatistické hodnoty ���� " (MJ∙m-2) pre určité priestory (byt 150-170 MJ∙m-2, škola 100 MJ∙m-2, nemocnica 150 MJ∙m-2, hotel 80 MJ∙m-2).

Rovnica (7.24) udáva maximálnu rýchlosť uvoľňovania energie pri plne rozvinutom požiari, v tomto prípsde je počítaná pre drevo. Poznanie hodnôt maximálnej rýchlosti uvoľňovania energie pri plne rozvinutom požiari je základom na výpočet tepelnej rovnováhy a následne teploty horúcich plynov. V praxi sa na tento účel využívajú počítačové programy.

Zhrnutie

Počas požiaru v uzavretom priestore sa prúdenie dymu riadi rôznymi tlakovými podmienkami. Je dôležité vedieť rozpoznať tlakové podmienky, pretože to ovplyvní spôsob vykonávaného hasiaceho zásahu. Tlak vznikajúci pri požiaroch možno klasifikovať podľa dvoch faktorov: 1. tepelná inercia; 2. tepelný vztlak.

Tlakový rozdiel vyplývajúci zo zníženej tepelnej inercie je v bežných budovách najčastejšie malý, pretože vždy existuje určitá miera úniku. Ak má požiarny priestor (miestnosť) veľký otvor, prúdenie bude regulované tepelným vztlakom. Tlak sa väčšinou pohybuje v rozmedzí 20-30 Pa, ale aj to môže ovplyvniť voľbu postupu v zmysle požiarnej taktiky.

Ak sa vrstva dymu zapáli vo vnútri budovy, môže dôjsť k zvýšeniu tlaku. Ak sa zmes plynov alebo jej veľkej časti pred zapálením premiešajú, vznikne značný tlak, ak v miestnosti nie sú dostatočne veľké otvory na zníženie tlaku. Len malá časť celkového objemu miestnosti stačí na to, aby sa tlak dramaticky zvýšil. Čím väčšie sú otvory, tým menší bude nárast tlaku a čím viac energie obsahujú plyny, tým vyššia je rýchlosť horenia.

Scenáre s vopred zmiešanými plynmi často spôsobujú mimoriadne nebezpečné situácie a existuje pri nich veľmi vysoké riziko popálenín a poranení spôsobených zvýšeným tlakom.

Ak vo vrstve dymu prevládajú difúzne procesy, úroveň expanzie plynu nebude taká vysoká a proces sa dá ľahšie kontrolovať, čo znamená, že nárast tlaku v miestnosti nebude taký dramatický.

Pri pojednávaní o požiaroch sa na opis zloženia vrstvy dymu občas používajú pojmy „riedky“ a „hustý“

Tieto pojmy predpokladajú, že zmes plynov je vopred premiešaná, čo však nie je prípad väčšiny požiarov vznikajúcich vo vnútorných priestoroch.

Kontrolné otázky

1. Aká úroveň tlaku môže teoreticky vzniknúť v miestnosti, ak sa vznieti vopred zmiešaná zmes plynov?

2. Akou rýchlosťou sa pohybuje front vopred zmiešaného plameňa?

3. Ako ovplyvňuje horiaci materiál vznik požiaru? Má nejaký význam, či je horiaci materiál vyrobený z plastu alebo dreva?

4. Ktoré produkty vznikajú pri horení?

5. Okná a dvere zvyčajne patria medzi najslabšie komponenty stavebnej konštrukcie. Aký tlak je potrebný na ich rozbitie?

6. Myslíte si, že používanie okien s dvojitým a trojitým zasklením v domoch zmenilo spôsob, akým vznikajú vnútorné požiare?

7. Čo je deflagrácia?

8. Čo je detonácia?

9. Opíšte tlakové podmienky v otvorenej miestnosti.

10. Opíšte tlakové podmienky v uzatvorenej miestnosti.

Použitá literatúra

1. Drysdale, D. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1999, 451 s.

2. Karlsson, B., Quintiere, J.G. Enclosure fire dynamics. Boca Raton: CRC Press, 2000, 336 p

3. Quintiere, J.G. Compartment Fire Modeling Quincy, MA: NFPA, 2002.

8. ROZVOJ POŽIARU V MIESTNOSTI S OBMEDZENÝM

ODVETRÁVANÍM

V tejto kapitole sa venujeme vzniku požiarov v miestnostiach s obmedzeným vetraním.

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Charakterizovať pojem pulzovanie požiaru

 Charakterizovať štyri rôzne scenáre rozvoja požiaru s obmedzeným odvetraním

 Charakterizovať pojem backdraft.

 Opísať typický scenár vzniku backdraftu.

 Opísať podmienky vzniku backdraftu

 Definovať výstražné znamenia charakteristické pre backdraft

Kľúčové slová: backdraft, gravitačný prúd, odvetranie, ohrozenie, výstražné znamenia

Ak dochádza pri požiari k nedostatku kyslíka, požiar neprejde do fázy flashover, ale naopak, jeho intenzita sa zníži. So znižujúcou sa intenzitou horenia klesá aj teplota. Povrch paliva sa ochladzuje pomaly, čo znamená, že sa stále hromadí veľké množstvo plynov vznikajúcich ako produkty prebiehajúcej pyrolýzy. Ide o bežný scenár pri požiaroch prebiehajúcich v uzavretej miestnosti, kde nie sú vytvorené žiadne otvory, napríklad rozbitím okna. Nastáva situácia, keď sa v priestore môže nachádzať veľké množstvo nespálených splodín horenia. Zároveň je koncentrácia kyslíka nízka. Po príchode hasičskej jednotky na miesto udalosti sa hasiči môžu stretnúť s viacerými situáciami.

Očakávané sú štyri rôzne scenáre vývoja požiaru:

1. Požiar samovoľne uhasol.

2. Požiar sa opäť rozhorí.

3. Dym vznikajúci pri požiari sa samovoľne vznieti

4. Nastane backdraft

Predtým, ako nastane ktorýkoľvek z týchto scenárov, môže dôjsť v rozvoji k tzv. pulzovaniu požiaru.

8.1. Pulzovanie požiaru

Pri požiari riadenom odvetraním je rýchlosť uvoľňovania tepla obmedzená množstvom kyslíka prúdiaceho do priestoru. To môže niekedy spôsobiť, že požiar sa rozhorí s vyššou intenzitou. Pulzovanie požiaru sa začína v dôsledku poklesu rýchlosti uvoľňovania tepla v dôsledku obmedzeného množstva kyslíka. Pri poklese teploty sa zníži aj objem plynu v požiarnom priestore, čím sa vytvorí určitý podtlak.

Do miestnosti s požiarom sa môže opätovne nasávať vzduch a keď kyslík reaguje s horľavými plynmi, dochádza k horeniu.

Keď sa dym zapáli, zväčší sa jeho objem, čím vznikne kladný tlak. Dym je potom vytláčaný von cez dostupné otvory. To spôsobuje opäť nedostatok kyslíka, ktorý obmedzuje rýchlosť uvoľňovania tepla, čím sa spúšťa ďalšie pulzovanie. Pulzovanie požiaru je znázornené na obr. 8.1.

Obr. 8.1 Pulzovanie požiaru [1]

Je ťažké určiť, v ktorých situáciách môže požiar začať pulzovať. Jedným z faktorov spôsobujúcich pulzovanie požiaru je veľkosť otvorov v pomere k uvoľnenému teplu.

8.2. Samovoľné uhasnutie požiaru

Ak požiar pokračuje v horení v prostredí s nedostatkom kyslíka, je veľmi pravdepodobné, že postupne samovoľne zhasne alebo začne tlieť. Pravdepodobne sa tak stane skôr, ako teplota v priestore požiaru stúpne natoľko, aby začala výrazná pyrolýza ostatných povrchov paliva nachádzajúceho sa v priestore.

Ak je obmedzený aj povrch paliva, šanca, že sa dym bude môcť zapáliť, bude nízka.

Keď teplota klesne, klesne aj tlak v miestnosti s požiarom, čo znamená, že sa nevytlačí toľko dymu.

V dôsledku toho môže trvať dlho, kým bude požiar odhalený

Táto situácia je veľmi častá pri požiaroch, ktoré vznikajú v bytoch. Často sú byty postihnuté pomerne rozsiahlymi škodami spôsobenými dymom, ale s uhasením požiaru veľmi často nie sú žiadne problémy.

Aj v tejto situácii budú podmienky v miestnosti s požiarom pre ľudí veľmi nebezpečné. Dym obsahuje množstvo nebezpečných látok, napríklad oxid uhoľnatý, čo môže znamenať, že spiaca osoba sa v čase požiaru nezobudí (obr. 8.2) Ako preventívne opatrenie pred vznikom takýchto situácií sa odporúča používať požiarne hlásiče.

Obr. 8.2 Splodiny horenia [1]

Na obr 8 3 je znázornený vývoj teploty dymu pri vnútornom požiari

Obr. 8.3 Vývoj teploty dymu v uzavretom priestore [1]

Ako je z obr. 8.3 zrejmé, požiar sa stal riadeným odvetraním približne po 300 s, keď začne klesať teplota a rýchlosť uvoľňovania tepla.

Teplota rýchlo klesá a pyrolýza materiálu sa pomerne rýchlo zastaví. V tomto prípade nie je k dispozícii dostatok horľavých plynov, aby sa dym mohol zapáliť. Keď sa otvoria dvere do miestnosti, dym môže uniknúť, ale plyny sú pomerne studené a nezapália sa, čo spôsobuje, že požiar sa dá ľahko uhasiť.

8.3. Znovurozhorenie požiaru a jeho rozvoj

Tu ide o situáciu, keď požiar stihol rozšíriť na niekoľko ďalších objektov skôr, ako sa v nich začal prejavovať nedostatok kyslíka. Pričom pôsobenie tepla v priestore bolo značné. Dym zaplnil miestnosť s požiarom, pričom obsahuje veľké množstvo nespálených plynov. To znamená, že požiar má možnosť rozvinúť sa do plne rozvinutého požiaru, ak sa mu zaistíme prívod vzduch.

Predpokladajme, že hasiči otvoria dvere do domu alebo sa pri požiari rozbije okno. V dôsledku toho bude unikať z hornej časti otvoru dym, zatiaľ čo vzduch bude prúdiť cez spodnú časť otvoru a neutrálna

rovina bude stúpať. Prúd vzduchu opäť podnieti plameňové horenie v pôvodnom ohnisku a požiar sa

rozšíri. Plamene potom dosiahnu vrstvu dymu a front plameňa sa rozšíri po celej miestnosti.

Tento scenár je pokračovaním prerušeného vývoja požiaru. Jeho rast je veľmi podobný tomu, keď sa požiar rozvíja a postupuje k vzniku flashoveru v miestnosti, ktorá má otvor už od začiatku požiaru.

Obrázok 8.4 znázorňuje tento proces.

Obr. 8.4 Opätovné rozhorenie požiaru a jeho rozvoj do vzniku flashover [1]

Požiar sa často vyvíja nenápadne, pretože vznikajúce plamene sú difúzne. Požiar pokračuje vo svojom prerušenom rozvoji a postupuje do flashoveru, ak je prítomný dostatok kyslíka a paliva.

8.4. Vznietenie dymu

V ojedinelých prípadoch môže dôjsť k samovznieteniu dymu, napríklad pri otvorení dverí (obr. 8.5).

Obr. 8.5 Samovoľné vznietenie dymu [1]

Aby k tomu došlo, musí mať dym vysokú teplotu. Teplota dymu sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 500 až 600 °C.

V miestnosti s nedostatkom kyslíka sa nachádza dym, ktorého teplota presahuje teplotu vznietenia (zapálenia), zvyčajne nad 500 - 600 °C. Keď dym môže unikať cez otvor, ktorý mohol vzniknúť pri vstupe hasičov do miestnosti, dym sa zmieša so vzduchom (kyslíkom). Keďže teplota plynov je vyššia ako teplota vznietenia (zapálenia), zmes vzduchu a paliva sa automaticky zapáli a horí aj mimo tejto miestnosti.

Keď sa vzduch dostane do miestnosti a zmieša sa s unikajúcimi dymom, je možné pozorovať, ako sa požiar v miestnosti postupne rozširuje. V tomto prípade ide o šíriace sa difúzne plamene. Tento scenár je vlastne pokračovaním počiatočnej fázy rozvoja požiaru, ktorá bola prerušená v dôsledku nedostatku kyslíka. Požiar teraz môže prejsť do fázy plne rozvinutého požiaru, a to za predpokladu, že otvor je dostatočne veľký. Rozvoj požiaru sa týmto môže urýchliť (pozri obrázok 8 6).

Obr. 8 6 Samovznietenie dymu v dôsledku prívodu kyslíka do miestnosti [1]

Táto situácia najčastejšie nastáva, keď sa v miestnosti nachádza menší otvor. Požiar je zásobovaný kyslíkom cez otvor, ktorý je umiestnený tak, aby bol obmedzený únik dymu. Takýto prípad sa vyskytuje pri požiaroch v bytoch, keď dym uniká cez prasknuté sklo v zadnej časti budovy. Keď sa potom otvoria dvere na schodisko, dym sa môže zohriať a samovoľne vznietiť.

Ak potom dôjde k zatvoreniu dvier miestnosti tesne po tom, čo bolo spozorované, ako sa dym za dverami samovoľne vznietil, plamene uhasnú, pretože kyslík je spálený.

Pri pokuse o odvetranie požiaru v podkroví môže byť pozorované samovznietenie dymu. Dym sa vtedy pri kontakte so vzduchom okamžite vznieti. To samozrejme za predpokladu, že požiar je riadený odvetraním.

8.5. Backdraft

V tejto časti sa bližšie zameriame na definíciu toho, čo je to backdraft (spätný ťah). Uvedieme si aj opis scenára, ktorý zvyčajne nastáva, ak pri otvorení otvoru v miestnosti prúdi vzduch. V tejto časti si rozoberieme tiež podmienky, ktoré spôsobujú vznik backdraftu, a príznaky ktoré signalizujúce jeho blížiaci sa vznik

V niektorých prípadoch sa vrstva dymu môže veľmi rýchlo vznietiť. To sa zvyčajne označuje ako backdraft. Proces vznietenia môže byť taký silný, že na reakciu nezostáva čas. Preto je veľmi dôležité vedieť identifikovať situácie, ktoré môžu viesť k vzniku backdraftu

K backdraftu môže dôjsť za nasledovných okolností.

Požiar bol riadený odvetrávaním. V miestnosti, kde sa požiar rozhorel, sa nahromadilo veľké množstvo

nespálených plynov. Keď sa otvoria dvere, vzduch prúdi dovnútra. Prúd vzduchu vytvára vopred

zmiešanú zmes plynov. Rozhodujúcu úlohu zohráva umiestnenie zdroja zapálenia. Práve poloha určuje množstvo plynov vo vrstve dymu, ktoré sa pred zapálením vopred premiešajú.

Dochádza k difúzii a vzniku vopred zmiešaných plameňov. V tejto oblasti, ktorá vzniká medzi vrstvou dymu bohatou na palivo a prichádzajúcim vzduchom, sa môže vopred zmiešaný plameň veľmi rýchlo rozšíriť. Horúce produkty pyrolýzy sa tlačia smerom nadol za plameňom a miešajú sa s vrstvou bohatou na vzduch. Vznikajú tak difúzne plamene. V priestore požiaru dochádza k rýchlemu horeniu a expanzii, čo znamená, že dym, ktorý sa nezapáli v priestore požiaru, vystrelí von a zapáli sa vonku. Keďže backdraft zahŕňa rýchlu a silnú expanziu plynov vo vrstve dymu, výsledkom je vznik ohnivej gule za otvorom. Backdraft môže viesť k prepuknutiu fázy plne rozvinutého požiaru v priestore, ale niekedy vedie k tomu, že sa miestnosť vyprázdni od dymu a zostanú v nej len malé ohniská alebo tlenie.

8.5.1. Definícia backdraftu

Obmedzené vetranie môže viesť k tomu, že požiar produkuje dym obsahujúci značný podiel nespálených plynov. Ak sa tieto nahromadia, potom prívod vzduchu pri otvorení otvoru do priestoru môže viesť k náhlej deflagrácii, ktorá sa pohybuje cez miestnosť a von cez otvor. Táto deflagrácia je známa ako "backdraft".

Podľa definície Národnej asociácie požiarnej ochrany (NFPA) je backdraft: „Horenie zahriatych plynných produktov horenia, keď sa do prostredia, ktoré má v dôsledku požiaru vyčerpané zásoby kyslíka, dostane kyslík. Pri tomto horení často dochádza k explózii“

Inštitút požiarnych inžinierov (IFE) definuje backdraft ako „výbuch väčšieho alebo menšieho stupňa spôsobený prílevom vzduchu z akéhokoľvek zdroja do horiacej budovy, v ktorej prebiehalo horenie pri nedostatku vzduchu.

V niektorých definíciách backdraftu sa používa slovo " explozívny", čo naznačuje, že by mohlo dôjsť k výbuchu. Nemusí to však byť nevyhnutne tak; spätný výbuch často prebieha pomerne nenápadne.

Pri backdrafte možno pozorovať:

 Hromadenie nespálených plynov.

 Prúd spalín je bohatý na vzduch

 Existencia vrstvy dobre premiešaných nespálených plynov a vzduchu.

 Iniciátor zapáli plyny v dobre premiešanej vrstve.

 V miestnosti dochádza k turbulentnej deflagrácii.

 Ohnivá guľa je vymrštená von z miestnosti.

K spätnému prúdeniu môže dôjsť, ak je požiar riadený odvetraním vo veľmi skorej fáze, napríklad ak je miestnosť od začiatku uzavretá alebo ak sú v nej len obmedzené otvory (pozri obrázok 8.7).

Obr. 8.7 Backdraft zahŕňa rýchly nárast teploty a tlaku [1]

Keď klesá koncentrácia kyslíka, klesá aj teplota v miestnosti. Ak sa potom otvoria dvere do miestnosti, dym sa môžu vznietiť a spôsobiť backdraft (pozri obrázok 8.7).

Keď dôjde k backdraftu, požiarom môže byť zasiahnutá celá miestnosť, čo vedie v miestnosti k prechodu do fázy plne rozvinutého požiaru. Backdraft môže spôsobiť značné škody vo vonkajšom priestore, pretože práve tam môže vzniknúť veľmi vysoký tlak.

8.5.2. Typický scenár pre vznik backdraftu

V miestnosti vypukne požiar. Horenie prebieha buď ako plameňové alebo ako bezplameňové horenie. Miestnosť má obmedzené vetracie otvory, napr. bežné únikové cesty. Požiar sa rozširuje, až kým nedôjde k obmedzeniu prívodu kyslíka do miestnosti. V tom istom čase sa pod stropom vytvorí vrstva horúceho dymu, ktorá klesá smerom nadol. Ako sa vrstva dymu rozrastá, vzduch, ktorý je nasávaný do hornej časti ohniska požiaru, obsahuje stále väčšie množstvo nespálených plynov a stále menší podiel kyslíka. Výsledkom tohto procesu je nedokonalé horenie. Keďže rýchlosť uvoľňovania tepla klesá v dôsledku nedostatku kyslíka, nespálené plyny sa hromadia vo vrstve horúceho dymu. Potom požiar buď pokračuje tlením, alebo samovoľne vyhasne v závislosti od množstva dostupného paliva a veľkosti otvoru na odvetrávanie.

Postupom času sa koncentrácia nespálených plynov zvyšuje. Tým sa v miestnosti vytvára prostredie bohaté na palivo. Typ paliva zohráva rozhodujúcu úlohu pri určovaní množstva plynov, ktoré sa

nahromadia. Niektoré materiály uvoľňujú produkty pyrolýzy ľahšie ako iné. Neskôr dôjde v miestnosti

k otvoreniu dverí alebo okna. Môže sa to stať napríklad vtedy, keď do bytu vstúpia hasiči alebo sa rozbije

výplň okna. Horúci dym uniká cez otvor a vzduch sa nasáva cez spodnú časť otvoru (pozri obr. 8.8).

Obr. 8.8 Dym uniká z miestnosti a vzduch prúdi do miestnosti [1]

Tento prílev studeného vzduchu sa označuje ako gravitačný prúd

Keď sa vzduch dostane do miestnosti, zmieša sa s nezhorenými plynmi (produkty termického rozkladu) a v určitom priestore sa vytvorí horľavý súbor turbulentným pohybom na hornej strane prúdu vzduchu alebo prostredníctvom turbulencie, ktorá vzniká, keď sa v dráhe prúdu nachádza nejaký predmet, napríklad nábytok. Na obrázku 8.9 je znázornený proces turbulentného miešania, ktorý prebieha spolu s prúdom vzduchu.

Obr. 8.9 Proces turbulentného miešania [1]

Tento proces miešania vytvára zmes, v medziach horľavosti, ak sa pyrolýzne produkty zriedia. Ak sa dym skutočne nachádza v rozsahu horľavosti a je prítomný zdroj zapálenia, napr. plameň, žeravé častice alebo elektrická iskra, zmes sa zapáli.

Na obr 8.10 je znázornené, ako sa plamene šíria v zmesi v medziach horľavosti.

Obr. 8.10 Zapálenie zmesi [1]

Práve plamene spôsobujú, že sa vrstva dymu rýchlo rozpína a vytláča vysokou rýchlosťou zvyšok paliva von cez otvor, kde sa nespálené plyny zmiešajú s čerstvými vzduchom. Keď sa plamene rozšíria vo vopred zmiešanej vrstve, dôjde v nej k okamžitému zvýšeniu tlaku. To spôsobí vytvorenie ohnivej gule, ktorá je typickým znakom backdraftu. Čím viac je nespálených plynov v dyme, tým väčšia je vytvorená ohnivá guľa.

Aby sa zmes dostala do rozsahu horľavosti, keď sa plyny bohaté na palivo zriedia vzduchom, koncentrácia horľavých látok musí byť dostatočne vysoká.

Pri backdrafte sú niektoré plamene vopred zmiešané (predzmiešané), čo znamená, že priebeh dejov bude rýchly. Prúd, ktorý spôsobuje miešanie dymu so vzduchom, je pre priebeh dejov úplne rozhodujúci.

8.5.3. Gravitačný prúd

Ako už bolo spomenuté, po otvorení bude do miestnosti prúdiť studený vzduch. Horúci dym potom uniká a keďže prúd je riadený gravitáciou, vzniká zmes, ktorá spadá do rozsahu horľavosti.

Rýchlosť prúdenia vzduchu závisí od viacerých faktorov vrátane nasledujúcich:

 Veľkosť miestnosti (ako dlho trvá, kým vzduch prúdi do miestnosti)

 Typ otvorov v miestnosti (rôzne typy otvorov spôsobujú rôzne procesy miešania)

 Rozdiel hustoty (riadi rýchlosť prúdu vzduchu).

 Výška stropu (vytvára rôzne úrovne gravitácie v miestnosti s nízkym a vysokým stropom)

 Turbulencie (môžu byť spôsobené napríklad tým, že v otvorených dverách stojí hasič).

Obrázok 8.11 slúži len na kvalitatívne účely, bol použitý na počítačovú simuláciu dynamiky požiaru

Obr. 8.11 Výsledok simulácie požiaru [1]

Prvá sekvencia je nasnímaná, keď je prúd vzduchu na ceste do miestnosti, a druhý obrázok je nasnímaný, keď prúd vzduchu dosiahol zadnú stenu. Modrá farba predstavuje vzduch a červená dym Zelená a žltá sú zmiešané v takom pomere, aby vytvorili priestor s dostatočným množstvom horľavého paliva

Proces zmiešania prebieha v dôsledku turbulencie, ktorá vzniká pri prúdení vzduchu do miestnosti. Oblasť medzi vrstvou bohatou na palivo a prúdom vzduchu je miesto, kde je zmes najlepšie premiešaná

Ak prúd vzduchu dosiahne zadnú stenu, zmiešaná oblasť bude oveľa väčšia. Preto, akékoľvek oneskorenie môže byť veľmi nebezpečné. Ak sa prúd dokáže odraziť od zadnej steny, táto oblasť sa zväčší výrazne. Tento faktor je potrebné zohľadniť pri vstupe do miestnosti.

Teraz budeme pokračovať diskusiou o zapálení plynnej hmoty. Na to je dôležité poznať, ako sa plyny v dyme miešajú.

Zapálenie vopred zmiešanej oblasti

Nasledujúci opis predpokladá, že miestnosť je po chvíli otvorená. Keď sa miestnosť otvorí, vnikne do nej vzduch a zmieša sa s dymom obsahujúcim produkty pyrolýzy. Aby mohlo dôjsť k zapáleniu, musí byť vo vytvorenej zmesi zdroj zapálenia. K zapáleniu môže dôjsť počas požiaru v rôznom čase a na rôznych miestach.

Uvažujme s nasledovnými tromi scenármi:

 Keď prúd vzduchu smeruje do miestnosti.

 Keď prúd vzduchu smeruje (uniká) z miestnosti

 S veľmi dlhým oneskorením po tom, ako prúd vzduchu opustí miestnosť.

Zmesi v medziach horľavosti v týchto rôznych scenároch budú mať rôznu veľkosť, čo znamená, že keď dôjde k zapáleniu, backdraft sa bude vyznačovať rôznou silou. Zdroj zapálenia na obrázkoch nižšie sa nachádza priamo vo vnútri miestnosti pozdĺž zadnej steny. V skutočnosti môže byť zdroj vznietenia umiestnený kdekoľvek v miestnosti.

 Keď je prúd vzduchu smeruje do miestnosti

Ak dôjde k zapáleniu, t. j. iniciácii požiaru, a keď prúd vzduchu preniká do miestnosti, v hraničnej vrstve vznikne vopred zmiešaný plameň, pozri obr. 8.12.

Obr. 8.12 Prúd vzduchu dosiahol zadnú stenu [1]

Obrázky poskytujú len hrubé znázornenie toho, čo sa deje. Žltá a zelená farba predstavujú určitý typ predzmiešanej oblasti. Keď sa vopred zmiešané plyny zapália, vznikne za nimi turbulentná oblasť horenia. Táto oblasť vzniká, keď horúce produkty horenia stúpajú a vytláčajú nadol nespálené plyny. Nespálené plyny sa dostávajú do kontaktu s vrstvou bohatou na vzduch a horia. Prostredníctvom tepelnej inercie (rozťažnosti) je zvyšok dymu vytláčaný cez otvor von. Takto vzniká typická ohnivá guľa. Čím väčší je podiel vopred zmiešaných plynov v objeme pri zapálení, tým rýchlejší je proces. Vopred zmiešané plamene a difúzne plamene vykazujú veľké rozdiely z hľadiska rýchlosti horenia. V tomto príklade sa zdroj vznietenia nachádza v predzmiešanej oblasti, čo je predpokladom zapálenia.

V mnohých skutočných prípadoch sa zdroj zapálenia nachádza v požiarnom priestore veľmi nízko, napr. pri tlejúcich požiaroch. Zdrojom zapálenia je často počiatočný požiar, ktorý sa rozhorí.

 Keď prúd vzduchu uniká z miestnosti

Ak k zapáleniu nedôjde, kým sa prúd vzduchu neodrazí od zadnej steny, bude predzmiešaná oblasť veľmi veľká (pozri obr 8.13). Ak sa zmes plynov zapáli, plamene sa rozšíria do guľovitejšej formy a dôjde k väčšiemu nárastu tlaku v dôsledku väčšieho podielu plynov. Zároveň platí, že čím menší je otvor v miestnosti, tým väčšie je zvýšenie tlaku v miestnosti.

Obr. 8.13 Situácia, ak ku zapáleniu nedôjde [1]

Výsledkom tohto rozšírenia bude vznik veľkej ohnivej gule (obr. 8.14) mimo miestnosti.

Obr. 8.14 Ohnivá guľa pri backdrafte [1]

Veľkosť ohnivej gule závisí od množstva nespálených plynov, ktoré sa nahromadili v miestnosti.

 S veľmi dlhým oneskorením po tom, ako prúd vzduchu unikne z miestnosti

Keď sa prúd prichádzajúceho vzduchu zmieša s dymom s horľavými produktami pyrolýzy, odrazí sa od zadnej steny a potom opustí miestnosť, spodná časť miestnosti sa naplní takmer výlučne čerstvým vzduchom. To znamená, že nad zárubňou dverí v miestnosti môžu byť stále horľavé plyny (obr 8.15).

Obr. 8.15 V hornej časti miestnosti sa stále nachádzajú horľavé plyny [1]

Keď dôjde k vznieteniu, plamene sa rozšíria až do výšky rámu dverí. Ak je objem horľavých plynov menší, rýchlosť uvoľňovania tepla nebude taká veľká. Je však dôležité poznamenať, že vo väčších a najmä vysokých priestoroch môže byť väčšie množstvo horľavých plynov. S tým sú spojené veľké riziká. Oneskorenie môže trvať len niekoľko minút.

V tomto scenári bol teda zdroj zapálenia umiestnený vysoko v miestnosti. Ak je medzi horným okrajom dverí a stropom veľká vzdialenosť, môže sa tam premiešať veľké množstvo plynov, čo môže mať vážne následky, aj keď je prostredie nižšie v miestnosti v poriadku.

Ak porovnáme tieto tri scenáre, vidíme, že k vysokému nárastu tlaku došlo v čase zapálenia, keď prúd vzduchu opustil miestnosť. Je to preto, že veľkosť vopred zmiešanej oblasti je v tomto prípade najväčšia., v zmysle princípu, čím menší je otvor, tým väčší je tlak.

8.5.4. Podmienky, ktoré vedú k vzniku backdraftu

Je ťažké presne špecifikovať podmienky, ktoré spôsobujú vznik backdraftu. Môžeme však uviesť niektoré faktory, ktoré sú predpokladom jeho vzniku.

Skutočnosť, že k backdraftu nedochádza veľmi často, je spôsobená tým, že dym dokážeme dobre ochladiť vodou a len zriedkavo je súčasne prítomné dostatočne veľké množstvo horľavých plynov a zdroj vznietenia. Vo všeobecnosti je ťažké dosiahnuť veľké množstvo paliva, ktoré je potrebné na jeho vznik.

Na vznik backdraftu majú vplyv tieto faktory:

 Prítomnosť zdroja vznietenia. V horľavej oblasti musí byť zdroj vznietenia. Zvyčajne je najhorľavejšou oblasťou hraničná vrstva medzi dymom s horľavými produktami a vnikajúcim vzduchom. V mnohých prípadoch sa môžu zdroje zapálenia nachádzať veľmi nízko v miestnosti.

To je pravdepodobne hlavný dôvod, prečo backdraft nie je veľmi častým javom.

 Usporiadanie paliva (a typ paliva). Čím vyššie v miestnosti sa palivo nachádza, tým viac horľavých pyrolýznych produktov sa tam nahromadí. Samozrejmou požiadavkou je, aby sa v miestnosti nachádzalo dostatočné množstvo paliva, aby sa dosiahla koncentrácia plynu potrebná

na vyvolanie backdraftu.

 Umiestnenie/veľkosť otvorov (pôvodné otvory). Čím nižšie sa otvor nachádza, tým menší je

podiel pyrolytických produktov, ktoré cez otvor uniknú. Ak je otvor príliš malý, je pravdepodobné, že požiar samovoľne uhasne. Ak je príliš veľký, požiar sa okamžite rozhorí. Otvor musí byť dostatočne veľký. Mali by ste si uvedomiť, že to platí pre otvor v miestnosti v čase vzniku požiaru, inými slovami, nie otvor, ktorý vznikol v dôsledku vstupu počas zásahu.

 Izolácia v miestnosti. Čím lepšie je miestnosť izolovaná, tým vyššia je v nej teplota. Teplotu je možné udržať dlhší čas aj v prípade, že požiar už takmer uhasol (samovoľne). V priestore sa hromadí veľké množstvo nespálených produktov, najmä ak je palivo umiestnené vysoko v miestnosti. Čím nižšia je teplota pyrolýzy paliva, tým ľahšie sa dosiahne koncentrácia potrebná na to, aby mohol vzniknúť backdraft. Koncentrácia paliva musí byť veľmi vysoká.

8.5.5. Ohrozenia vznikajúce pri požiari

S hasením požiaru riadeného odvetraním sú samozrejme spojené určité riziká. Tieto situácie môžu byť veľmi riskantné a, bohužiaľ, nie vždy je ľahké odhaliť varovné príznaky. Je ťažké vedieť, čo sa stane skôr, ako vstúpime do miestnosti. Čím viac je však varovných príznakov, ktoré poukazujú na backdraft, tým väčšia je pravdepodobnosť, že k nemu môže dôjsť. Ak príznaky nie sú veľmi jasné, môže nastať niektorý z ďalších scenárov.

Na tomto mieste sa musíme vrátiť ku kapitole o flashover, kde sme sa podrobne venovali farbe dymu. Farba dymu sa niekedy môže použiť ak ako indikátor blížiaceho sa backdraftu. Farba dymu sa však nemôže používať ako jediný indikátor. Len ak ju skombinujeme s viacerými ďalšími ukazovateľmi, môžeme získať jasnú predstavu o tom, či hrozí nebezpečenstvo backdraftu alebo nie. Rozhodujúcim faktorom, pokiaľ ide o backdraft, je vzduch.

V ďalšej podkapitole je opísaných niekoľko príznakov, ktoré naznačujú blížiaci sa backdraft

8.5.6. Výstražné znamenia

Ešte pred vykonaním zásahu a aj v jeho priebehu, je dôležité vykonať dôkladné posúdenie rizík.

Jednotlivé znamenia by sa mali posudzovať spoločne a takto považovať za varovné signály pre blížiaci sa backdraft. Napríklad, je absolútne nedostatočné považovať farbu za jediný varovný signál. Predtým, ako hasič otvorí dvere do miestnosti s požiarom, je potrebné z pohľadu potenciálneho vzniku backdraftu vziať do úvahy nasledujúce skutočnosti:

 Požiare v uzavretých priestoroch s minimálnym odvetraním, napríklad v uzavretých miestnostiach alebo v priestoroch pod strechou.

 Mastné usadeniny na okenných sklách, ktoré sú známkou kondenzácie pyrolýznych produktov na chladných povrchoch. Príznak nedostatočne odvetraného požiaru.

 Horúce dvere a okná naznačujú, že oheň horí už dlhšie, možno s obmedzeným odvetraním

 Pulzujúci prienik dymu z malých otvorov v miestnosti, ktoré sú znakom nedostatočného odvetrania. Keď sa do miestnosti dostane vzduch, dochádza k horeniu, čo znamená, že so zvyšujúcou sa teplotou dochádza k úniku kyslíka. Potom teplota pomaly klesá a po miernom poklese tlaku sa môže vzduch nasávať do miestnosti.

 Pískanie v otvoroch, ktoré môže súvisieť s pulzovaním požiaru. V prípadoch, keď sa rozhodne o vstupe do miestnosti, musí hasič dávať pozor na tieto znaky, najmä v momente, keď otvorí dvere a nahliadne do miestnosti s požiarom. Tieto znaky spolu s ostatnými sú varovnými signálmi pre hroziaci backdraft

 Oranžová žiara alebo oheň, ktorý nie je viditeľný, môže znamenať, že oheň horí už dlho a má nedostatok kyslíka.

 Dym nasávaný cez otvor naspäť dovnútra, čo znamená, že do miestnosti vnikol prúd vzduchu. Horúci dym opustí miestnosť, možno cez iný otvor, a cez otvor sa nasaje náhradný vzduch. Môže sa zdať, že dym je nasávaný smerom k požiaru.

 Neutrálna rovina je blízko podlahy.

Zhrnutie

Pri backdrafte môžu nastať najmenej štyri rôzne scenáre, keď čelíme požiaru riadeného odvetraním: 1. Požiar samovoľne vyhasne; 2. Požiar pokračuje v rozvoji; 3. Dym sa samovoľne vznieti;

4. Nastane backdraft Scenáre 1 a 2 sú najčastejšie, ale scenár 4 je zďaleka najnebezpečnejší. Preto bol opísaný najpodrobnejšie.

K backdraftu dochádza vtedy, keď sa vo vrstve dymu nahromadí určité množstvo nespálených plynov. Ak sa napríklad otvoria dvere, do požiarneho priestoru sa nasaje prúd vzduchu. Tým sa vytvorí dobre premiešaná zmes, ktorá sa môže zapáliť, ak je prítomný akýkoľvek zdroj zapálenia. Následne sa vytvorí čelo plameňa, ktoré sa šíri cez otvor a vytvára ohnivú guľu.

Možno teda povedať, že tento proces prechádza nasledujúcimi fázami:

 Hromadenie nespálených plynov (dym).

 Prívod prúdu vzduchu.

 Miešanie vzduchu a nespálených plynov.

 Zapálenie vopred zmiešanej oblasti.

 Turbulentná deflagrácia.

 Vytvorenie ohnivej gule mimo miestnosti s požiarom

Oblasť vopred zmiešanej zmesi je približne rovnako veľká pri otvorení dverí ako pri otvorení okna.

K procesu miešania dochádza, keď prúd na ceste do miestnosti prechádza okolo ostrej hrany. K procesu miešania môže dôjsť aj vtedy, ak hasiči stoja v otvorených dverách.

Ak prúd vzduchu dosiahne zadnú stenu, vopred zmiešaná oblasť sa výrazne zväčší. Ak v tejto situácii dôjde k vznieteniu, dôjde k oveľa väčšiemu nárastu tlaku, ako keď dôjde k vznieteniu, keď prúd vzduchu smeruje do miestnosti.

Tretí scenár nastane, ak prúd spalín unikne z miestnosti dlhý čas pred vznietením. V tomto prípade môžu byť nad rámom dverí stále horľavé plyny. Vo väčšine prípadov vznietenie nespôsobí silný backdraft.

Je to spôsobené tým, že oblasť horľavých plynov je malá. Vo väčších priestoroch, najmä ak je vzdialenosť medzi stropom a horným okrajom otvoru veľká, objem môže byť oveľa väčší. Situácia sa môže zdať pokojná a hasiči môžu ísť hlboko do miestnosti bez toho, aby si všimli, že je tam ešte stále nejaký dym

Keď však dôjde k vznieteniu, dôsledky sú vážne.

Na rozdiel od flashoveru trvá backdraft veľmi krátko. Kľúčovým faktorom, ktorý určuje, či dôjde k backdraftu, je prívod vzduchu. V prípade zapálenia je kľúčovým faktorom teplota, pretože znamená, že úroveň radiácie v miestnosti stúpa.

Pri backdrafte sú prítomné ako vopred zmiešané (predzmiešané), tak aj difúzne plamene. Vo vopred zmiešanej oblasti, ktorá vzniká medzi vrstvou dymu bohatého na palivo a privádzaným vzduchom, sa môže predzmiešaný veľmi rýchlo rozšíriť. Horúce produkty pyrolýzy sa tlačia smerom nadol za plameňom a miešajú sa s vrstvou bohatou na vzduch. Vznikajú tak difúzne plamene. Medzi rýchlosťou horenia vopred zmiešaného plameňa a rýchlosťou horenia difúzneho plameňa je obrovský rozdiel. Čím viac je dym (splodiny horenia) vopred premiešané, tým rýchlejšie uniknú cez otvor. To znamená, že backdraft bude silnejší, ak dôjde k zapáleniu, keď sa prúd vzduchu odrazí od zadnej steny a smeruje k otvoru. Zároveň platí, čím menší je otvor, tým väčší je nárast tlaku.

Hranice medzi flashoverom a backdraftom môžu byť v mnohých prípadoch neurčité. Musia sa určiť samostatne pre každý jednotlivý prípad.

Vezmime si nasledujúci príklad. Požiar v miestnosti horí už dlho. V miestnosti sa nahromadili nespálené plyny. Dvere do miestnosti sú otvorené. Trvá približne 20-30 s, kým je v miestnosti spozorovaný prvý plameň. Keď plamene vychádzajú cez otvor, pohybujú sa malou rýchlosťou a mimo miestnosti sa nevytvára žiadna ohnivá guľa. Nastáva otázka či ide o backdraft alebo normálny prechod k plne rozvinutému požiaru Je zrejmé, že nie vždy je ich možné rozoznať.

Backdraft je zriedkavý jav. Je to preto, že na to, aby sa backdraft mohol vyskytnúť, sú potrebné veľmi vysoké koncentrácie paliva. Ak dôjde k backdraftu, je to spôsobené niektorým z nasledujúcich faktorov:

 prítomnosť zdroja vznietenia,

 usporiadanie paliva,

 umiestnenie/veľkosť otvorov,

 izolácia miestnosti.

Príznaky naznačujúce hroziaci backdraft sú najmä pulzujúci dym vychádzajúci z malých otvorov a žiadne viditeľné známky požiaru. V mnohých reálnych prípadoch, keď došlo k backdraftu, boli následky týchto udalostí vážne. Často sa to dá vysvetliť tým, že je ťažké odhaliť jeho varovné príznaky.

Kontrolné otázky

1. Aký typ plameňa vzniká pri backdrafte?

2. Backdraft zahŕňa niekoľko fáz. Ktoré to sú?

3. Podľa štatistík sa backdraft vyskytuje veľmi zriedkavo. Prečo je to tak?

4. Aké príznaky signalizujú backdraft?

5. Dochádza k backdraftu v dôsledku požiaru riadeného odvetraním alebo palivom?

6. Ako sa možno chrániť pred backdraftom?

7. Aký postup by ste navrhli z pohľadu požiarnej taktiky?

8. Má backdraft vždy za následok prechod do fázy plne rozvinutého požiaru?

9. Aké podmienky sú potrebné na to, aby mohlo dôjsť k backdraftu?

10. Vymenujte niektoré typy priestorov, v ktorých by podľa vás mohlo dôjsť k backdraftu

Použitá literatúra

1. Bengtson, L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p.

2. Cooper, L. Compartment Fire-Generated Environment and Smoke Filling Quincy, MA: NFPA, 2002.

3. Drysdale, D. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1999, 451 s.

4. F.I.R.E. Enclosure Fire Dynamics. Dostupné online. (Cit. 21.05.2022)

5. Walton, D., Thomas, P. Estimating Temperatures in Compartment Fires Quincy, MA: NFPA, 2002.

Doplnkové študijné zdroje

1. Pulzovanie požiaru.

2. Backdraft

9. EXPLOZÍVNE HORENIE

V tejto kapitole sa zaoberáme situáciami, ktoré môžu viesť k explozívnemu horeniu. Rozoberieme aj to, ako sa dá definovať explózia dymu a aká veľká môže byť veľkosť tlaku, ktorý môže vzniknúť.

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Definovať pojem explózia dymu

 Opísať podmienky vzniku explózie dymu.

 Identifikovať výstražné signály explózie dymu a ohrozenia, ktoré spôsobuje

Kľúčové slová: backdraft, dym, expanzný faktor, explózia dymu, horenie, predmiešané plyny, rýchlosť horenia, pretlak

Backdraft môže spôsobiť výrazné zvýšenie tlaku, ak sú vetracie otvory v miestnosti malé. Na druhej strane, výbuch (explozívne horenie, ktoré vytvára tlakovú vlnu) nespôsobuje extrémne veľké zvýšenie tlaku, ako by sa dalo očakávať

Predpokladom vzniku backdraftu je, že sa v priebehu rozvoja požiaru zmenia podmienky vetrania. Čím väčší je podiel plynnej hmoty, ktorá sa pred vznietením predmieša, tým väčšie bude zvýšenie tlaku. V prípade backdraftu je zvyčajne predmiešané len malé množstvo plynnej hmoty.

V niektorých situáciách sa splodiny horenia tvoriace dym môžu pred zapálením veľmi dobre premiešať so vzduchom. Tento scenár je najčastejší v miestnostiach susediacich s miestnosťou, v ktorej sa vyskytuje požiar a tam, kde nie je k dispozícii takmer žiadny otvor. Keďže v tomto prípade nie je možné znížiť tlak v miestnosti, ak dôjde k zapáleniu, výsledná deflagrácia je veľmi silná. To môže zničiť celú konštrukciu budovy. Tento jav je známy ako explózia dymu. K explózii dymu môže dôjsť aj v miestnosti, s požiarom, ale je to menej časté.

9.1.Definícia explózie dymu

Pojem explózia dymu (obr. 9.1) nie je definovaný v technických normách. Tento pojem sa však používa v mnohých krajinách a jeho existujúce definície sú veľmi podobné.

Dynamika požiaru

Obr. 9.1 Ilustrácia explózie dymu [1]

"Keď dym unikne do priestoru susediaceho s miestnosťou s požiarom, má vhodné podmienky na dostatočné zmiešanie sa so vzduchom. Táto zmes sa môže rozšíriť do celého objemu priestoru alebo jeho časti a dostať sa do rozsahu horľavosti. Ak dôjde k zapáleniu zmesi, môže sa výrazne zvýšiť tlak. Tento jav je známy ako explózia dymu " . [1]

Výbuch nastáva výhradne vtedy, keď sa koncentrácia horľavej látky nachádza na rozmedzí medzi dolnou a hornou hranicou výbušnosti. [2]

Je dôležité tiež zdôrazniť, že explózia dymu je deflagráciou, a nie detonáciou [3]. Preto ho možno klasifikovať rovnako ako explóziu. K explózii dymu dochádza bez existencie otvoru v miestnosti.

Aby došlo k backdraftu, musia sa počas rozvoja požiaru zmeniť podmienky vetrania v miestnosti. Je zrejmé, že hranice medzi týmito dvoma pojmami môžu byť v určitých prípadoch neurčité

9.2. Podmienky vzniku explózie dymu

Ohrozenie výbuchom dymu (spalín) je najväčšie v miestnostiach susediacich s horiacou miestnosťou. V týchto miestnostiach môže byť plyny obsiahnuté v dyme dobre premiešané. Jediným faktorom, ktorý chýba k tomu, aby sa dym zapálil, je existencia zdroja zapálenia. Hoci nejde o všeobecne platné pravidlo. Výsledné uvoľňovanie tepla a šírenie plameňa nastáva v dobre premiešanom dyme, čo spôsobuje oveľa výraznejšiu rozťažiteľnosť (expanziu) plynov ako v prípade flashoveru a backdraftu. Iniciačný zdroj potrebný na zapálenie vopred zmiešanej zmesi plynov v dyme môže byť veľmi malý

Existuje alternatívny scenár explózie dymu, ktorý môže nastať v miestnosti s požiarom. Ak je v tejto miestnosti len malý otvor, t. j. ak otvor nie je dostatočne veľký na to, aby spôsobil vznik flashoveru, požiar bude pokračovať v horení s deficitom kyslíka. To spôsobí, že sa v miestnosti nahromadí veľké množstvo nespálených produktov horenia vo forme dymu. Môže sa dokonca zdať, že požiar v miestnosti samovoľne uhasne. Ak teplota v miestnosti zostáva vysoká, môže sa vo vrstve dymu nahromadiť veľa nespálených plynov, najmä ak je v hornej časti miestnosti veľa horľavého materiálu. Ak je miestnosť dobre izolovaná, teplota sa môže dlhodobo dosahovať vysoké hodnoty.

Pri požiari sa môže zdať byť neškodným, ak sa po dlhom čase miestnosť začne ochladzovať a opätovne sa do nej nasáva vzduch. Teda, atmosféra bohatá na palivo sa spojí so vzduchom. Obsah kyslíka sa zvýši na približne 10 % objemu, čo je približne množstvo potrebné na to, aby mohlo dochádzať k spaľovaniu plynov. Medzitým došlo k premiešaniu plynov dymu, ale nezapália sa, pretože k dispozícii nie je žiadny zdroj vznietenia. Zdroj zapálenia, napr. uhlíky, ktoré vyletia z pôvodného ohniska požiaru, sa môžu objaviť neskôr a zapáliť viac-menej vopred zmiešanú zmes plynov tvoriacich dym. To spôsobí silnú explóziu dymu.

Pravdepodobnosť, že sa zdroj vznietenia objaví, keď je zmes plynov dymu vopred zmiešaná, však musíme považovať za malú. Explózie dymu je ťažké predvídať, čo znamená, že je ťažké sa proti nim aj chrániť. Avšak, sú také nebezpečné, že môžu mať fatálne následky.

9.2.1. Faktory ovplyvňujúce silu explózie dymu

Veľkosť vetracích otvorov

Čím väčší je otvor, tým rýchlejšie klesá tlak v miestnosti. Ak je miestnosť takmer úplne uzavretá, tlak bude oveľa vyšší, ak dôjde k zapáleniu zmesi plynov tvoriacich dym Teoreticky by tlak mohol v úplne uzavretej miestnosti dosiahnuť až 800 kPa (8 bar).

Podiel vopred zmiešaných plynov nachádzajúcich sa v priestore miestnosti

Čím väčší je podiel vopred zmiešaných plynov v objeme miestnosti, tým väčší je nárast tlaku. Na to, aby tlak výrazne narástol, stačí len malý objemový podiel vopred zmiešanej zmesi plynov.

Odolnosť stavebných konštrukcií voči tlaku

Najprv kolabuje najslabšia stavebná konštrukcia, potom sa tlak zníži. Ak by bola budova úplne uzavretá a stavebné konštrukcie by zvládli nárast tlaku, pretlak by mohol dosiahnuť až 800 kPa. Vo väčšine budov sa však nachádza napríklad okno, čo znamená, že nárast tlaku je veľmi často mierny.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené približné hodnoty veľkosti pretlaku, ktorým môžu odolať vybrané

stavebné konštrukčné prvky (Tab. 9.1)

Tab. 9.1 Hodnoty veľkosti pretlaku, ktorým môžu odolať vybrané stavebné konštrukčné prvky [1]

Rýchlosť horenia (Su)

Čím vyššia je rýchlosť horenia, tým rýchlejšia je expanzia. Rýchlosť závisí od látky, ktorá sa zúčastňuje na spaľovaní, a mení sa aj podľa toho, kde sa plynná hmota zapáli vzhľadom na stechiometrický bod.

Rýchlosť horenia je najvyššia, keď sa dosiahne stechiometrický bod. Často sa stretávame s mylnou predstavou, že zmes musí byť veľmi blízko stechiometrického bodu, aby sa dosiahlo veľké zvýšenie tlaku. Tlak však bude veľmi vysoký, aj keď je zmes plynov blízko hranice horľavosti. Rýchlosť horenia ovplyvňuje aj turbulencia v miestnosti. Čím vyššia je turbulencia, tým vyššia je rýchlosť horenia. Turbulenciu

ovplyvňuje napríklad nábytok v miestnosti alebo pohyby hasičov.

Expanzný faktor

Čím vyššiu konečnú teplotu produkty počas procesu spaľovania dosiahnu, tým viac sa rozpínajú. Čím viac sa rozpínajú, tým viac sa zvyšuje tlak. Teplota produktov závisí čiastočne od látky, ktorá sa zúčastňuje na horení, a čiastočne od bodu v rámci rozsahu horľavosti, v ktorom sa zmes zapáli.

9.3. Riziká

Nanešťastie, explóziu dymu je veľmi ťažké predvídať. Explózia dymu môže mať zároveň aj vážne následky. Pri posudzovaní rizík treba mať na pamäti nasledujúce skutočnosti:

 Existencia skrytých priestorov. Ak sú, je možné, že sa v nich bude hromadiť dym. Skryté priestory sa vyskytujú najmä medzi strechou a podkrovím a pri šikmých strechách.

 Horľavosť konkrétnej konštrukcie. Ak horľavá je, môžeme predpokladať, že materiál na "druhej strane steny" môže pri prenose tepla cez stenu pyrolyzovať. To sa samozrejme týka predmetov v blízkosti steny.

 Stav rozvodov. V tomto prípade môžeme predpokladať, že dym môže ľahko uniknúť z priestoru miestnosti s požiarom, ohraničenej stenami, ktoré sa inak zdajú byť neporušené. Príznaky v tomto prípade poukazujú skôr na preventívnu údržbu. Zle navrhnuté rozvody sa musia odstrániť včas. V niektorých prípadoch je možné nainštalovať sprinklerový systém alebo detektory, ktoré zistia, keď sa dym nahromadí nielen v miestnosti s požiarom, ale aj v priľahlých miestnostiach.

Zhrnutie

K explózii dymu dochádza, keď sa v miestnosti alebo priestore vznieti vopred zmiešaná (predzmiešaná) zmes plynov. Najčastejšie k tomu dochádza v priestore v blízkosti miestnosti, v ktorej vznikol požiar. Plyny tvoriace dym sa tu môžu dobre premiešať. Tento jav je riadený najmä vopred zmiešanými plameňmi. K explózii dymu môže dôjsť aj v miestnosti s požiarom, ale to sa stáva menej často.

V mnohých prípadoch môže byť ťažké identifikovať príznaky naznačujúce hroziacu explóziu dymu. Súvisí to najmä s technickými aspektmi budovy, napr. s konštrukciou rozvodov, s tým, či sú steny miestnosti, v ktorej vznikol požiar neporušené a či sa v nich nenachádzajú akékoľvek skryté priestory.

Zabrániť explózii dymu môžu pomôcť detektory alebo sprinklery. Opatrenia, ktoré možno prijať na mieste udalosti, zahŕňajú odvetranie alebo zníženie tlaku v priestore pred nahromadením horľavých plynov dymu.

Kontrolné otázky

1. Prečo sa explózie dymu vyskytujú tak zriedkavo?

2. Ktoré faktory určujú, aká silná bude explózia dymu?

3. Aký druh plameňov sa podieľa na explózii dymu?

4. Musí zmes plynov na vytvorenie vysokého tlaku spotrebovať celý svoj objem?

5. Aký vysoký tlak môže teoreticky dosiahnuť explózia dymu?

6. Aký vysoký tlak môže v praxi dosiahnuť explózia dymu?

7. Prečo je nepravdepodobné, že by v miestnosti s požiarom došlo k explózii dymu?

8. Aké príznaky naznačujú hroziacu explóziu dymu?

9. Čo by sme mali urobiť, aby sme zabránili explózii dymu?

10. Ktoré preventívne protipožiarne opatrenia môžu zabrániť vzniku explózie dymu?

Použitá literatúra

1. Bengtson, L.G. Enclosure Fires. 1st ed. Huskvarna (SWE): NRS Tryckeri, 2001, 192 p.

2. Custer, R. Dynamics of Compartment Fire Growth NFPA Príručka požiarnej ochrany, 19th edition, 2003. p.

3. Dehaan, J.D., Icove, D.J. Kirk’s fire investigation. 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc., 2012, 763 p.

Doplnkové študijné zdroje

1. Backdraft 1

2. Backdraft 2.

3. Explózia dymu 1

4. Explózia dymu 2.

10. POŽIARNE MODELY V DYNAMIKE POŽIARU

Modelovanie požiarov možno považovať za jeden z nástrojov umožňujúcich pochopenie správania požiaru. Tento nástroj je možné využiť na overenie jednotlivých hypotéz, resp. scenárov, vzniku požiaru alebo na získanie popisu priebehu požiaru.

Po prečítaní tejto kapitoly budete schopní:

 Charakterizovať jednotlivé druhy modelov požiaru.

 Charakterizovať výstupy modelovania vo vybraných programových prostrediach používaných na tvorbu výstupov.

 Definovať rozdiely medzi modelmi typu pole a zónovými modelmi

 Charakterizovať pojem Froudovo modelovanie.

Kľúčové slová: ANSYS, CFD, FDS, Froudovo modelovanie, model typu pole, požiarny model, SMARTFIRE, zónový model

V prípade rozvoja požiaru sa stretávame, v závislosti od materiálových vlastností prostredia a fázy požiaru, s tromi mechanizmami prenosu energie (radiácia, konvekcia, kondukcia). Pri zjednodušených výpočtoch a modelovaniach sa uvažuje s homogenitou prostredia a mechanizmus prenosu energie sa zanedbáva. Dôležité sú otázky vzniku energetickej rovnováhy, výpočet tepelného toku (kritický tepelný tok), teploty povrchu a teplotných profilov materiálu.

Modely požiaru môžeme vo všeobecnosti rozdeliť do troch veľkých skupín. Sú to modely:

 empirické,

 fyzikálne,

 matematické.

Na modelovanie vnútorných požiarov (požiarov v uzavretom priestore) sa využívajú najmä matematické a fyzikálne modely

Fyzikálny model je umelo vytvorený objekt, pomocou ktorého je možné objasniť nejaký fyzikálny jav alebo nový poznatok. Modely zamerané na popis priebehu požiaru sa pokúšajú reprodukovať javy sprevádzajúce požiar v zjednodušených fyzikálnych podmienkach. Preto žiadny fyzikálny model nevystihuje všetky stránky skutočného javu a nemôže sa so skutočným javom stotožňovať. Skutočný fyzikálny jav je vždy komplexnejší a zložitejší ako jeho model. Fyzikálne modely sú tiež zvyčajne časovo i finančne náročnejšie ako matematické modely.

Účelom fyzikálnych modelov je napodobnenie požiaru za zjednodušených fyzikálnych podmienok. Pričom rozmery týchto modelov sú rôzne.

Priebehu požiaru v reálnych podmienkach sa podobajú najviac veľkorozmerové skúšky. Avšak ich realizácia často naráža na prekážky a to ako v zmysle nákladovosti, tak aj zložitosti pri zostavovaní. Aj z tohto dôvodu sa výskum v tejto oblasti zameriava viac na skúmanie správania požiaru prostredníctvom modelov v zmenšenej fyzikálnej mierke.

Fyzikálne modelovanie neznamená jednoduché vykonanie experimentu na zmenšenom fyzikálnom modeli. Jednoduché (lineárne) zmenšenie geometrických rozmerov nie je dostatočné. V zmenšenom modeli musí byť dodržaná tiež mechanická, tepelná a chemická podobnosť s reálnym objektom. Zákonitosti potrebné pre zachovanie tejto podobnosti môžu byť odvodené z dimenzionálnej analýzy alebo zo základných rovníc popisujúcich fyzikálno- chemické javy.

Najznámejšie a najrozšírenejšie fyzikálne zákonitosti zmien mierky pri požiari sú známe pod názvom

Froudovo modelovanie, ktoré je použiteľné najmä pre konvekciu (prúdenie) energie pri požiari.

Froudovo číslo Fr je dané vzťahom (10.1):

kde v je charakteristická rýchlosť (m∙s-1), l je fyzikálny rozmer (dĺžka v m), g je gravitačné zrýchlenie (m∙s-2).

Froudovo modelovanie podmienok pri požiari vychádza z dodržania pomeru oblúkovitých a zotrvačných síl. Na základe teoretického odvodenia väzby medzi charakteristickou rýchlosťou (��) a tepelným tokom požiaru (��) dimenzionálnou analýzou, kedy ��~��1/5 , sa Froudovo číslo vypočita podľa vzťahu (10.2):

kde �� je tepelný tok požiaru (J s-1), D je mierka fyzikálneho modelu.

Froudovo modelovanie je možné úspešne použiť na štúdium vzostupných prúdov nad požiarom, podstropného prúdenia a výšky plameňa. Nakoľko zmena mierky sa u rizikových javov sprevádzajúcich požiar prejavuje rozdielne, nie je vo všeobecnosti možné študovať komplexnú požiarnu situáciu v malej mierke. Prakticky je nemožné modelovať naraz v rovnakej mierke zmenšenie radiácie a vzostupné prúdenie. Z tohto dôvodu nie je možné Froudovo modelovania jednoducho aplikovať na požiarne problémy, v ktorých hrá významnú úlohu radiácia. Fyzikálne modelovanie sa používa prakticky pri všetkých štandardných požiarnych testoch. Adekvátnosť fyzikálnych modelov pritom môže byť variabilná. V súčasnosti sa pri vývoji moderných požiarnych testov už uplatňuje trend explicitne popísať ich

adekvátnosť ako fyzikálnych modelov reálneho priebehu požiaru a reakcie na požiar.

Matematické modely sa zakladajú na numerickom riešení diferenciálnych rovníc riešených pre reálne hodnoty alebo pre diskretizované časové alebo priestorové veličiny.

Matematické modely sa využívajú na modelovanie požiarov v 3D priestoroch menšieho rozsahu. Ich rozvoj bol podmienený formulovaním fyzikálnych a chemických procesov počas požiarov. Tieto modely sú založené na zákonoch zachovania hmotnosti, hybnosti, energie a zložky (stavová rovnica), modeloch spaľovania paliva a tepelného žiarenia. Pomerne presne sa tak dajú určiť javy prebiehajúce v ľubovoľnom bode 3D priestoru, pričom jednotlivé body sa vzájomne ovplyvňujú.

Zmeny parametrov prostredia pri rozvoji požiaru sa počítajú riešením série diferenciálnych rovníc založených na aplikácii zákonov zachovania hmotnosti a energie a fyzikálnochemickej podstaty požiaru. Týmto spôsobom sa získajú časové závislosti prenosu tepla a látky, zmien tlaku plynov, výmeny plynov cez otvory, zadymenia, zmeny teploty v priestore. Regresné rovnice sa verifikujú na experimentálnych meraniach z reálnych požiarov.

Rýchlejšie odhady je možné získať využitím tabuľkových vstupných hodnôt pri ručnom počítaní, kedy sa využijú zjednodušené rovnice na výpočet dôležitých parametrov (teplota, úbytok kyslíka, pokles vrstvy zadymenia) pre rozvíjajúci sa a plne rozvinutý požiar.

Matematické modely požiarov môžu byť pravdepodobnostné alebo deterministické. Pravdepodobnostné modely predstavujú predikciu vzniku požiaru pri určitých primárnych a sekundárnych faktoroch.

Deterministické modely umožňujú výpočet základných parametrov pre požiar konkrétneho uloženia materiálov v priestore s presnou geometriou. Využívajú aplikáciu zákonov zachovania hmotnosti, energie a hybnosti pre prenos energie a hmoty pri limitujúcich podmienkach požiaru. Sú využiteľné pre vnútorné aj vonkajšie požiare aj pre prenos požiaru na spojené priestory. Aplikácia modelov si vyžaduje dostatočnú znalosť fyziky a matematiky a prístup k tabuľkovým hodnotám vybraných požiarno-technických charakteristík materiálov, s ktorými sa pri modelovaní počíta. Deterministické modely môžu byť rozdelené na:

 CFD modely,

 zónové modely,

 výpočtové modely (tzv. ručne počítané).

CFD (Computational Fluid Dynamics) počítačové modely, t. j. modely typu pole sú vhodné na modelovanie priebehu vnútorného požiaru za predpokladu, že je známa presná geometria priestoru. Priestor je rozdelený na malé objemové elementy, medzi ktorými dochádza k výmene látky a energie (obr. 1.1).

Obr. 10.1 Malé objemové elementy priestoru – CFD model [4]

Metóda spočíva vo vytvorení trojrozmernej výpočtovej siete, pričom vlastnosti v rámci jednej bunky sú konštantné.

CFD modely šírenia požiaru sú založené na dynamike plynov a na skúsenostiach získaných z používania CFD počítačových programov vychádzajúc zo zákonov zachovania hmotnosti, hybnosti a energie. Základom výpočtu sú parciálne diferenciálne rovnice, Navier-Stokesove rovnice obsahujúce druhé derivácie podľa priestoru a prvé derivácie podľa času. Tieto rovnice riešia prúdenie tekutín, dynamiku plynov indukovaných teplom uvoľňovaným z požiaru, pričom uvažujú trecie vnútorné sily. CFD modely spravidla obsahujú čiastkové modely, ktoré riešia procesy súvisiace s požiarom, ako sú spaľovanie, prenos tepla, turbulencia plynov a podobne. Niektoré z CFD modelov sú založené na RANS (Reynoldsaveraged Navier–Stokes) rovniciach, ktoré predstavujú časovo aproximované pohybové rovnice pre prúdenie tekutín, pôvodne navrhnuté na popis turbulentného prúdenia.

Tvar rovníc v CFD modeloch je upravený oproti pôvodným rovniciam, ktoré popisujú aj javy nevyskytujúce sa počas požiaru

Opísané modely správania požiaru sú implementované v programových systémoch, pričom niektoré z nich sa bližšie špecializujú na konkrétny typ požiaru (napríklad empirické modely sú určené predovšetkým na simuláciu požiarov v prírodnom prostredí), iné sú univerzálnejšie.

Medzi najčastejšie používané CFD systémy, založené na aplikácii modelov typu pole, ktoré je možné nasadiť v prípade modelovania správania vnútorných požiarov, t. j. požiarov v uzavretom priestore, patria systémy ako Fire Dynamic Simulator (FDS) a jeho grafické rozhranie PyroSim a systém SMARTFIRE

Z video a obrazových výstupov CFD programu Fire Dynamic Simulator (FDS) môžeme po modelovaní priebehu vnútorného požiaru získať napr. vizualizáciu časovej zmeny teploty ohraničujúcich plôch, vizualizáciu izotermických plôch, časovú zmenu teploty plynov v plnom a čiastočnom 3D zobrazení, zmenu polohy a rozsahu rôznych izotermických plôch v danom čase, kombináciu izotermickej plochy a vektorového vyjadrenia prúdenia plynov, vizualizáciu prúdenia pod stropom a rozširovania sa vrstvy horúcich plynov (obr. 10.2).

Obr. 10.2. Vizualizácia výsledkov modelovania požiaru z FDS v programe SmokeView

Pre vysvetlenie dynamiky horenia plynov a horľavých kvapalín sú vhodné výstupy vo forme vizualizácie plameňa bodového zdroja a vzniknutých spalín, detailov turbulencií plameňa plynu (obr. 10.3), vizualizácie voľného horenia horľavých kvapalín. Dá sa využiť aj na modelovanie voľného požiaru veľkoobjemových nádrží horľavých kvapalín (vizualizácia plameňov a pohybu spalín).

Obr. 10.3 Výstup z modelovanie horenia horľavej kvapaliny

Medzi typické matematické deterministické CFD modely umožňujúce vytváranie modelov a vykonávanie simulácií prakticky v akejkoľvek inžinierskej oblasti patrí aj programový balík ANSYS. Všetky sub-programy tvoria ucelenú štruktúru, ktorá umožňuje prepojiť rôzne analýzy do jedného celku. V oblasti

protipožiarnej ochrany a bezpečnosti je to hlavne tepelná analýza, statická analýza a analýza pohybu tekutín s možným prepojením aj na analýzu horenia.

Zjednodušením CFD modelov sú modely zónové. Vo všeobecnosti sa delia na jednozónové a dvojzónové.

Zónové modely sú značne zjednodušené, zanedbávajú tepelnú kapacitu predmetov v miestnosti, trenie tekutín, dobu potrebnú k transportu dymu k stropu miestnosti a podobne.

Medzi systémy, ktoré sú založené na aplikácii zónových modelov patria ARGOS, CFAST, BRANZFIRE.

Dvojzónový model spočíva v rozdelení miestnosti na dva homogénne kontrolné objemy, pričom pri jednozónovom modeli sa uvažuje s jedným homogénnym priestorom. Horný, horúci kontrolný objem v dvojzónovom modeli je vyplnený produktmi horenia, kužeľom požiaru a teplým vzduchom v hornej vrstve miestnosti. Dolný, studený kontrolný objem je tvorený zariadením miestnosti a chladnejším vzduchom v dolnej časti miestnosti, prípadne prisávaným vzduchom.

V zónových modeloch sa neuvažuje prúdenie vo vnútri kontrolného objemu. Vo výpočtoch v pozadí sa riešia diferenciálne rovnice zachovania hmotnosti a energie, Bernoulliho rovnica riešiaca výmenu plynov s okolitým prostredím a rovnica prenosu tepla.

Použitie dvojzónových modelov je vhodné pre vnútorné aj vonkajšie požiare, aj pre väčší počet spojených priestorov. Výpočty sú aplikované na prenos látky a energie medzi týmito vrstvami. Výstupy sú vhodné na výpočet prúdenia plynov cez otvory, prechod od rozvíjajúceho sa požiaru k plne rozvinutému, pohyb a rozširovanie sa dymu.

Základy dvojzónového modelu sú schematicky znázornené na obr. 10 4. Požiar je definovaný ako prúd spalín s určenou veľkosťou vo vnútri priestoru. Ako už bolo uvedené, predpokladá sa, že počas horenia požiaru sa v priestore vytvoria dve samostatné zóny, z ktorých každá je dobre premiešaná, a preto má jednotnú teplotu. Spodnú zónu tvorí objem chladného, čerstvého vzduchu. Hornú zónu tvorí objem horúceho dymu, ktorý vzniká v dôsledku požiaru. Veľkosť a teploty jednotlivých objemov sa líšia v závislosti od rýchlosti uvoľňovania tepla (HRR) z požiaru (jej hodnota závisí od paliva a veľkosti požiaru), vetracích ciest, tepelných strát na povrchu konštrukcií a energetických strát z priestoru požiaru v dôsledku unikajúceho horúceho dymu.

Obr. 10 4 Rozdelenie priestoru - dvojzónový model [4]

Výpočtové modely (tzv. ručne počítané) nezobrazujú priebeh zmeny jednotlivých parametrov, ale v určitom vybranom čase sa dajú použiť na výpočet: výšky plameňov, teploty spalín, množstva uvoľnenej energie, rýchlosti horenia, množstva vzniknutých produktov (viď kap. 4,7,11). Aplikácia týchto modelov so sebou prináša obmedzenia a je potrebná znalosť fyziky a matematiky ako aj fyzikálno-chemickej podstaty jednotlivých procesov.

Doteraz publikované výsledky počítačom podporovaného modelovania a tvorby požiarnych modelov poukázali na prínosy ich aplikácie v oblasti výskumu i praxe. Dôležitým aspektom celého procesu modelovania je zadávanie vstupných parametrov. Tu je potrebné už vopred si pripraviť databázu údajov s fyzikálnymi, chemickými a požiarnotechnickými parametrami materiálov, s ktorých výskytom v danom priestore uvažujeme. Len zadaním čo najväčšieho počtu vstupných parametrov, pochopením modelovaných javov, okrajových podmienok a obmedzení použitého programového prostriedku je možné dosiahnuť relatívne vysokú mieru správnosti výsledkov modelovania. Získanie vstupných parametrov materiálov použitých v procese modelovania si vyžaduje vykonanie požiarnych skúšok a to najmä u materiálov, ktoré ešte nie sú dostatočne popísané. Pre overenie správnosti výsledkov modelovania je však vo väčšine prípadov potrebné vykonať strednorozmerové a veľkorozmerové požiarne skúšky. To je však časovo i finančne náročné. Je preto dôležité hľadať aj iné spôsoby validácie a verifikácie výsledkov vlastného modelovania s výsledkami už modelovaných požiarnych scenárov. Veľa z nich poskytuje americký Národný úrad pre normalizáciu a technológie (NIST) a to vo svojich užívateľských manuáloch a na web stránke.

Zhrnutie

Požiare v stavbách sú javom, ktorý negatívne vplýva na život a zdravie osôb vyskytujúcich sa v týchto priestoroch, ako aj na poškodenie majetku a životného prostredia. Národné predpisy definujú presné

postupy ako riešiť požiarnu bezpečnosť stavieb, avšak v súčasnosti sa vo svete ako možná alternatíva

čoraz častejšie aplikujú práve počítačové modely požiarov. Zjednodušenia, ktoré sú využívané pri riešení

požiarnej bezpečnosti stavieb, ako aj v oblasti dynamiky rozvoja požiaru a počítačového modelovania musia spĺňať predpoklad, že bezpečnosť osôb, respektíve skúmaná problematika javov sprevádzajúcich požiare je aj po zjednodušení stále zachovaná. Využitie moderných počítačov s vysokým výpočtovým

výkonom umožňuje pomocou vhodných programových nástrojov riešiť aj tie problémy, ktoré boli doposiaľ neriešiteľné, respektíve pri nich dochádzalo vplyvom vysokého zjednodušenia pri výpočtoch k chybám a kvalita výstupov bola následne neadekvátna V oblasti požiarneho inžinierstva sa už pred desiatkami rokov začali venovať vývoju rôznych požiarnych modelov, ktoré umožnili využiť práve vysoký výpočtový výkon počítačov na modelovanie požiaru v uzatvorenom priestore a pomáhali tak presnejšie predvídať cesty šírenia požiaru a dymu spolu s ďalšími fenoménmi sprevádzajúcimi nekontrolovateľné horenie v stavbách. Využitie takýchto modelov má ale svoje pravidlá a viaceré obmedzenia.

Kontrolné otázky

1. Do ktorých veľkých skupín možno rozdeliť modely požiaru?

2. Charakterizujte fyzikálny model.

3. Charakterizujte matematický model.

4. Aké charakteristiky umožňujú vypočítať deterministické modely?

5. Charakterizujte CFD modely.

6. Aké výstupy je možné získať z prostredia FDS?

7. Charakterizujte zónové modely.

8. Opíšte princíp jednozónového modelu.

9. Opíšte princíp modelovania vnútorného požiaru s využitím dvojzónového modelu.

10. Na výpočet ktorých parametrov je možné použiť výpočtové modely?

Použitá literatúra

1. Deijbjerg, T. et al. Argos User`s Guide – A step by step guide to fire simulation. Copenhagen: Danish Institute of Fire and Security Technology, 2003, pp. 165.

2. Ewer, J., Galea, E. SMARTFIRE - The Fire Field Modelling Environment 2010. The Fifth European Conference on Computational Fluid Dynamics, ECCOMAS CFD 2010 (Pereira, J. C. F., Sequeira, A, Pereira, J. M. C., eds.), Lisbon, Portugal, June 2010

3. Kačíková, D., Majlingová, A., Veľková, V., Zachar, M. Modelovanie vnútorných požiarov s využitím výsledkov progresívnych metód požiarneho inžinierstva. 1. vyd. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2017, 147 s.

4. Karlsson, B., Quintiere, J.G. Enclosure fire dynamics. Boca Raton: CRC Press, 2000, 336 p.

5. Kučera, P., Pezdová, Z. Základy matematického modelování požáru. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2010, 111 s.

6. McGrattan, K. et al. Dynamics Simulator (Version 6), User’s Guide. NIST Special Publication 1019. Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology, 2013.

7. Peacock, R.D., Reneke, P.A., Forney, G.P. CFAST – Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 7), Volume 2: User’s Guide. NIST Technical Note 1889v2. Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology, 2017

8. Špilák, D., Majlingová, A., Kačíková, D. Progressive Methods for Determining the Fire Resistance of Wooden Beams. Plzeň: Aleš Čeněk s.r.o., 2021, 159 s.

9. Taylor, S. et al. 1996. SMARTFIRE: An Integrated Computational Fluid Dynamics Code and Expert System for Fire Field Modelling. FSEG - UNIVERSITY of GREENWICH, 96/IM/15, 1996.

10. Valášek, L. Využitie grafického používateľského rozhrania pri simulácii požiaru v stavebnom priestore. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2012, 62 s.

11. Wade, C.A. BRANZFIRE Technical Reference Guide. BRANZ Study Report No. 92. Wellington: BRANZ, 2004

12. Wald. F.; Sokol. Z. 2016. Ocelové konstrukce. Praha: ČVUT. ISBN 9788001060322.

13. Wang, Y. Performance-based fire engineering of structures. Boca Raton, Fla.: CRC Press/Spon Press, 2013.

14. Walton, W. 2016. Zone Computer Fire Models for Enclosures. In: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. New York, NY: Springer New York, 2016, s. 1024-1033.

Doplnkové študijné zdroje

1. FDS simulácia požiaru regálu v sklade

2. SMARTFIRE simulácia.

3. Neutrálna rovina

11. VYBRANÉ PRÍKLADY Z DYNAMIKY POŽIARU

Táto kapitola je venovaná aplikácii výpočtových modelov dynamiky požiaru. Je rozdelená na dve základné časti. V prvej časti je uvedený zoznam úloh (podkapitoly 11.1. – 11.3.) a v druhej časti sú uvedené riešenia týchto úloh (podkapitoly 11.4.)

11.1. Zostavovanie rovníc horenia v kyslíku a na vzduchu a stechiometrické

11.1.1. Stechiometria horenia

1. Rovnice úplného dokonalého horenia v kyslíku

1.1 Zostavte rovnicu horenia metanolu v kyslíku.

2. Rovnice úplného dokonalého horenia na vzduchu

2.1 Zostavte rovnicu horenia acetylénu na vzduchu.

3. Rovnice neúplného a nedokonalého horenia v kyslíku a na vzduchu

3.1 Zostavte rovnicu horenia propánu v kyslíku, ak zhorí polovičné množstvo horľavej látky

3.2 Zostavte rovnicu horenia benzénu na vzduchu, ak dochádza k nedokonalému horeniu 30% hmotnosti benzénu na uhlík.

4. Výpočet stechiometrického pomeru horenia v kyslíku a na vzduchu

4.1 Vypočítajte stechiometrický pomer kyslíka rkyslík a vzduchu rvzduch pri úplnom dokonalom horení propánu na vzduchu.

11.1.2. Oxidačný prostriedok a horenie

1. Spotreba kyslíka na horenie

1.1 Vypočítajte množstvo kyslíka v dm3 potrebného na zhorenie 10 g acetylénu za atmosférických podmienok.

2. Spotreba vzduchu na horenie

2.1 Vypočítajte množstvo vzduchu v dm3 potrebného na zhorenie 10 g acetylénu za atmosférických podmienok

3. Prerušenie horenia pri poklese množstva kyslíka

3.1 Vypočítajte potrebné množstvo vzduchu na dokonalé zhorenia 456 kg sírouhlíka pri t = 20°C a tlaku 110 kPa, ak predpokladáme, že poklesom obsahu O2 na 17 % sa horenie preruší.

11.2. Množstvo produktov, uvoľnené teplo a rýchlosť horenia

Výpočet z chemických rovníc

1. Množstvo produktov horenia

1.1 Výpočet vzniknutých produktov z množstva horľavej látky

1.1.1. Vypočítajte teoretické množstvo (g) oxidu uhličitého vzniknutého z 1 g butánu.

1.1.2. Vypočítajte teoretické množstvo (g) oxidu uhoľnatého vzniknutého z 1 g butánu.

1.1.3. Horením butánu vzniká oxid uhličitý a oxid uhoľnatý v pomere 3 : 1. Vypočítajte ich množstvá (g) pri horení 32 kg butánu.

1.1.4. Vypočítajte hmotnosť (kg) oxidu siričitého vzniknutého dokonalým horením 1 750 kg hnedého uhlia obsahujúceho 1,03 % síry.

1.1.5. Vypočítajte objem (cm3) oxidu uhličitého vzniknutého dokonalým horením 100 g parafínu pri teplote 18 °C. Je potrebné uviesť sumárny vzorec parafínu.

1.2 Výpočet množstva produktov zo spotrebovaného oxidačného prostriedku

1.2.1. Pri horení propanolu sa spotrebovalo 45 g kyslika. Vypočítajte hmotnosť (g) vzniknutého oxidu uhličitého.

2. Uvoľnené teplo pri horení

2.1 Výpočet tepla a reakčnej entalpie pri horení

2.1.1. Vypočítajte, koľko tepla (kJ) sa uvoľní pri zhorení 1 kg metanolu v kyslíku na plynné produkty dokonalého horenia za normálnych podmienok. ΔH0 r = -722,3 kJ·mol-1

2.1.2. Vypočítajte uvoľnené teplo (kJ) pri dokonalom horení 1 t uhlia, obsahujúceho 12 % nehorľavých prímesí. Reakčná entalpia oxidácie uhlíka na oxid uhličitý ΔH0 r je -393,6 kJ·mol-1

3. Rýchlosť horenia

3.1 Výpočet rýchlosti horenia

3.1.1. Za 3 min zhorí 185 g dreva. Vypočítajte hmotnostnú rýchlosť odhorievania (g·s-1).

3.1.2. Vypočítajte plošnú rýchlosť odhorievania sírouhlíka (kg·m-2·h-1), ak z nádrže s plochou 1 000 cm2 odhorí za 6 min 1 330 g sírouhlíka.

4. Rýchlosť uvoľňovania tepla pri požiari, teplota plameňa

• Rýchlosť uvoľňovania tepla (HRR) �� = 13 100 kJ kg-1 spotrebovaný kyslík kg s-1 (kJ s-1 = kW)

• Teplota plameňa v osovom strede

4.1 Výpočet HRR zo spotreby kyslíka

4.1.1. Vypočítajte rýchlosť uvoľňovania tepla ��(kW) pri horení PMMA. Hmotnostný tok plynov vo vzostupnom prúde spalín je 0,05 kg∙s-1, množstvo zostatkového kyslíka vo vzduchu je 15 hmot. %. Každým spotrebovaným 1 kg kyslíka sa uvoľní 13 100 kJ energie.

4.1.2. Vypočítajte spotrebovaný kyslík (g∙s-1) pri požiari s HRR 100 kW. Každým spotrebovaným 1 kg kyslíka sa uvoľní 13 100 kJ energie.

4.2 Výpočet HRR kvapalín

4.2.1. Na dne záchytnej nádrže s plochou 2 m2 horí 20 L transformátorového oleja. Účinnosť horenia je 70 %, ��∞ ˝ je 0,039 kg·m-2·s-1 , ∆���� je 46,4 MJ·kg-1 , ���� je 0,7 m-1 , �� je 760 kg·m-3

Vypočítajte: a) rýchlosť uvoľňovania tepla ��(kW), b) trvanie požiaru t (min).

4.3 Stredná výška a teplota plameňa

Výpočet strednej výšky plameňa

4.3.1. Vypočítajte výšku plameňov ���� (m) pri horení oleja na dne záchytnej nádrže s plochou 2 m2 , ak rýchlosť uvoľňovania tepla je 1,69 MW.

Výpočet teploty plameňa

4.3.2. Vypočítajte teplotu plameňa T0 (°C) v osi symetrie vo výške a) 2 m, b) 2,5 m pri horení oleja na dne záchytnej nádrže. Priemer nádrže je 1,6 m, rýchlosť uvoľňovania tepla je 1,69 MW, účinnosť horenia 70 %, výška plameňov 2,96 m, virtuálne ohnisko 1 cm pod úrovňou dna nádrže a atmosférická teplota 20 °C.

11.3. Výmena plynov, teplota horúcej vrstvy

• Hmotnostný tok vzduchu (rozvinutý požiar)

• Hmotnostný tok horúcich plynov cez stropný

• Výška neutrálnej roviny

• Výška neutrálnej roviny

• Teplota horúcich plynov vo fáze pre-flashover

• Teplota v rozvinutom požiari

Tg = 20 + 345·log(8t +1)

• Rýchlosť uvoľňovania tepla na dosiahnutie flashover

1. Výmena plynov cez otvory

1.1. Hmotnostný tok vzduchu

1.1.1. Pri vnútornom požiari došlo k javu flashover

a) Vypočítajte hmotnostný tok vzduchu ���� (kg∙s-1) cez otvor so šírkou 3 m a výškou 2 m.

b) Koľkokrát sa zmení ����, ak sa zníži šírka otvoru na 0,5 m?

1.2. Hmotnostný tok horúcich plynov cez stropný otvor

V priestore s výškou 6 m a otvorom na stene v úrovni podlahy so šírkou a výškou 2 m sa v dôsledku požiaru vytvorila horúca vrstva s teplotou 300 °C. Vypočítajte potrebnú plochu otvoru v strope ���� (m2), aby výška zadymenia neklesla pod 2 m, ak je treba zabezpečiť ���� 7 kg·s-1 a teplota vzduchu je 20 °C. Na výpočet použite vzorec pre výpočet hmotnostného toku horúcich plynov cez stropný otvor:

2. Výška neutrálnej roviny

2.1. Výpočet výšky neutrálnej roviny

2.1.1. Vypočítajte výšku neutrálnej roviny ���� (m) ak je teplota okolia 27 °C a teplota spalín 813 K. Výmena plynov prebieha cez otvor s dolným okrajom v úrovni podlahy a výškou 2,25 m.

2.1.2. Vypočítajte výšku neutrálnej roviny ���� (m), ak v miestnosti s výškou 4 m a dverami s výškou

2,25 m a šírkou 0,8 m je hustota studených plynov 1,2 kg·m-3, hustota hornej vrstvy plynov

0,5 kg·m-3 a únikom dymu cez tri otvory, každý s plochou 1 m2, sa ���� ustálila do výšky 1,8 m nad podlahou. Otvory sú umiestnené v strope.

3. Teplota horúcej vrstvy

3.1. Výpočet teploty plynov vo fáze pre-flashover

3.1.1. Vypočítajte zvýšenie teploty Δ�� (°C) pri požiari v garáži z ľahkého betónu so šírkou 5,5 m, dĺžkou 9 m a výškou 3,5 m. Jediný stavebný otvor má výšku 2,5 m a šírku 3 m. Rýchlosť uvoľňovania tepla je 1 440 kW, ℎ�� je 0,0204 kW·m-2·K-1 Na výpočet použite vzorec pre výpočet teploty horúcich plynov vo fáze pre-flashover

3.2. Výpočet teploty plynov v rozvinutom požiari

3.2.1. Pri požiari nastal flashover. Vypočítajte teplotu horúcich plynov ���� (°C) v čase 25 min od začiatku požiaru.

3.3. Výpočet HRR pre dosiahnutie flashover

3.3.1. Vypočítajte rýchlosť uvoľňovania tepla potrebnú pre dosiahnutie flashover v príklade 3.1.1.

11.4. Riešenie úloh

Kapitola 11.1.1. Stechiometria horenia

1 Rovnice úplného dokonalého horenia v kyslíku

1.1 Zostavte rovnicu horenia metanolu v kyslíku.

2 Rovnice úplného dokonalého horenia na vzduchu

2.1 Zostavte rovnicu horenia acetylénu na vzduchu

100 % m C6H6 . . . . . . . . . . 78 g

30% m C6H6. x g

x = 0,3 · 78 = 23,4 g cca

4.1 Vypočítajte stechiometrický pomer kyslíka rO2 a vzduchu rair pri úplnom dokonalom horení propánu na vzduchu.

Kapitola 11.1.2. Oxidačný prostriedok a horenie

1 Spotreba kyslíka na horenie

1.1 Vypočítajte množstvo kyslíka v dm3 potrebného na zhorenie 10 g acetylénu za atmosférických podmienok Mn(C2H2) = 26 g mol-1

Vn = 22,4 dm3·mol-1

x = (2,5 22,4) 10 / 26 = 21,5

2 Spotreba vzduchu na horenie

2.1 Vypočítajte množstvo vzduchu v dm3 potrebného na zhorenie 10 g acetylénu za atmosférických podmienok

Mn(C2H2) = 26 g mol-1

Vn = 22,4 dm3·mol-1

vzduch = 1 + 3,76 mol = 4,76 mol

C2H2 + 2,5 (O2 + 3,76 N2) → 2

1 mol C2H2 . . . . . 2,5 4,76 mol = 11,9 mol vzduchu

26 g C2H2 . . . . . 11,9 mol · 22,4 dm3·mol-1= 266,6 dm3

C2H2 . . . . . x = 266,6 10 / 26 = 102,5 dm3 vzduchu

3 Prerušenie horenia pri poklese množstva kyslíka

3.1 Vypočítajte potrebné množstvo vzduchu na dokonalé zhorenie 456 kg sírouhlíka pri t = 20°C a tlaku

110 kPa, ak predpokladáme, že poklesom obsahu O2 na 17 % sa horenie preruší.

Mn(CS2) = 12 + 2 · 32 = 76 g·mol-1

Vn = 22,4 dm3 mol-1

vzduch = 1 + 3,76 mol = 4,76 mol

CS2 + 3 (O2 +3,76 N2 ) → CO2 + 2 SO2 + 3 · 3,76 N2

1 mol CS2 . . . . . 3 4,76 = 14,28 mol vzduchu

76 g CS2. . . . . 14,28 · 22,4 = 319,9 dm3 vzduchu

456 103 g CS2 . . . . . x = 319,9 456 103 / 76

= 1919·103 dm3 =

= 1919 m3 vzduchu

T0 = T = 20 + 273,15 = 293,15 K

p = 110 kPa

V = x m3

p0 =101,3 kPa

V0 = 1919 m3

p·V = p0·V0

V =101,3 1919 / 110

V = 1767 m3 vzduchu

21 % .......................1767 m3

17 %........................x

x = 1767 17 / 21 = 1432 m3 vzduchu

Vspotrebovaný = 1767 – 1432 = 335 m3 vzduchu na horenie

KAPITOLA 11.2. MNOŽSTVO PRODUKTOV, UVOĽNENÉ TEPLO A RÝCHLOSŤ HORENIA

1 Množstvo produktov horenia

1.1.1. Vypočítajte teoretické množstvo (g) oxidu uhličitého vzniknutého z 1 g butánu.

C4H10 + 6,5 O

Mr(C4H10) = 4 · 12 + 10 · 1 = 48 + 10 = 58

Mr(CO2) = 12 + 2 · 16 = 12 + 32 = 44

58 g C4H10 ..................... 4 · 44 = 176 g CO2

1 g C4H10 ..................... x g CO2

x = 176 · 1 / 58 = 3,03 gCO2/g C4H10 = 3,03 g/g

1.1.2 Vypočítajte teoretické množstvo (g) oxidu uhoľnatého vzniknutého z 1 g butánu.

C4H10 + 4,5 O2 → 4 CO + 5 H2O

Mr(C4H10) = 4 · 12 + 10 · 1 = 48 + 10 = 58

Mr(CO) = 12 + 16 = 28

58 g C4H10 ..................... 4 · 28 = 112 g CO

1 g C4H10 ..................... x g CO2

x = 112 · 1 / 58 = 1,93 g/g

1.1.4. Vypočítajte hmotnosť (kg) oxidu siričitého vzniknutého dokonalým horením 1 750 kg hnedého uhlia obsahujúceho 1,03 % síry.

S + O2 → SO2

Ar(S) = 32

Mr(SO2) = 32 + 2 · 16 = 32 + 32 = 64

1 750 kg .......... 100 %

x kg ...............1,03 %

x = 1 750 · 1,03 / 100 = 18,025 kg

32 g S .............. 64 g SO2

18 025 g S ............... x g SO2

x = 64 · 18 025 / 32 = 36 050 g = 36,05 kg

1.1.5. Vypočítajte objem (cm3) oxidu uhličitého vzniknutého dokonalým horením 100 g parafínu pri teplote 18 °C.

C31H64 + 47 O2 → 31 CO2 + 32 H2O

Mr(C31H64) = 31 · 12 + 64 · 1 = 372 + 64 = 436 ���� =22,4dm3 mol 1

1 mol C31H64 .......... 31 mol CO2

436 g C31H64 .......... 31· 22,4 = 694,4 dm3 CO2

100 g C31H64 ................................... x dm3 CO2

x = 694,4 · 100 / 436 = 159,27 dm3 CO2

T1 = 273,15 K

V1 (CO2) = 159,27 dm3

T2 = 273,15 + 18 = 291,15 K

V2 (CO2) = ? dm3

V1 / T1 = V2 / T2

V2 = V1 · T2 / T1 = 159,27 · 291,15 / 273,15 = 169,77 dm3

1.2.1. Pri horení propanolu sa spotrebovalo 45 g kyslíka. Vypočítajte hmotnosť (g) vzniknutého oxidu uhličitého.

C3H7OH + 4,5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

Mr(O2) = 2 · 16 = 32

Mr(CO2) = 12 + 2 · 16 = 12 + 32 = 44

4,5 mol O2 ................................... 3 mol CO2

4,5 · 32 = 144 g O2 ..................... 3 · 44 = 132 g CO2 45 g O2 ..................... x g CO2

x = 132 · 45 / 144 = 41,25 g

2 Uvoľnené teplo pri horení

2.1.1. Vypočítajte, koľko tepla (kJ) sa uvoľní pri zhorení 1 kg metanolu v kyslíku na plynné produkty dokonalého horenia za normálnych podmienok. ΔH0 r = -722,3 kJ·mol-1 .

CH3OH+ 1,5 O2 → CO2 + 2H2O

Mr(CH3OH) = 32

1 mol CH3OH ≈ 32 g CH3OH ..........722,3 kJ

1 000 g CH3OH ..........x kJ

x = 722,3 1 000 / 32 = 22 540 kJ

2.1.2. Vypočítajte uvoľnené teplo (kJ) pri zhorení 1 t uhlia obsahujúceho 12 % nehorľavých prímesí.

Reakčná entalpia oxidácie uhlíka na oxid uhličitý ΔH0 r je -393,6 kJ·mol-1

C + O2 → CO2 ΔH0 r = -393,6 kJ·mol-1

12 % z 1 000 kg = 120 kg

1 000 kg uhlia ≡ 880 kg C

1 mol C ≈ 12 g C ..........393,6 kJ

880 000 g C ..........x kJ

x = (393,6 · 880 000) / 12 = 2,88·108 kJ

3. Rýchlosť horenia

3.1.1. Za 3 min zhorí 185 g dreva. Vypočítajte hmotnostnú rýchlosť odhorievania (g s-1).

mdreva = 185 g

t = 3 min = 180 s

vh = ? g·s-1

vh = mdreva / t = 185 / 180 = 1,03 g·s-1

3.1.2. Vypočítajte plošnú rýchlosť odhorievania sírouhlíka (kg m-2 h-1), ak z nádrže s plochou 1 000 cm2 odhorí za 6 min 1 330 g sírouhlíka.

S = 1 000 cm2 = 0,1 m2

t = 6 min = 0,1 h

m = 1 330 g = 1,33 kg

�� " = ? kg m-2 h-1

�� " = m / (S · t) = 1,33 / (0,1 · 0,1) = 133 kg·m-2·h-1

4. Rýchlosť uvoľňovania tepla pri požiari, teplota plameňa

4.1.1. Vypočítajte rýchlosť uvoľňovania tepla ��(kW) pri horení PMMA. Hmotnostný tok plynov vo vzostupnom prúde spalín je 0,05 kg∙s-1, množstvo zostatkového kyslíka vo vzduchu je 15 hmot. %.

Každým spotrebovaným kg kyslíka sa uvoľní 13 100 kJ energie.

���� =0,05 kg∙s-1

O2 vo vzduchu = 23 hmot. % → w1 ≈ 0,23

zostatok O2 = 15 hmot. % → w2 ≈ 0,15

�� = ? kW

�� = 13 100 kJ kg-1

spotrebovaný kyslík kg s-1 (kJ s-1 = kW)

�� =13100∙(w1 w2)∙����

�� =13100∙(0,23 0, 15)∙0,05=����,�� kW

4.1.2. Vypočítajte spotrebovaný kyslík (g∙s-1) pri požiari s HRR 100 kW.

�� =100 kW

spotrebovaný kyslík = ? g s-1

�� = 13 100 kJ kg-1

spotrebovaný kyslík kg s-1 (kJ s-1 = kW)

spotrebovaný kyslík (kg s-1) = �� (kJ s-1)/ 13 100 (kJ kg-1)

spotrebovaný kyslík (g s-1)= �� (kJ s-1)/ 13,10 (kJ g-1)

spotrebovaný kyslík = 100/13,1 = 7,63 g·s-1

4.2.1. Na dne záchytnej nádrže s plochou 2 m2 horí 20 L transformátorového oleja. Účinnosť horenia

je 70 %, ��∞ ˝ je 0,039 kg·m-2·s-1 , ∆���� je 46,4 MJ·kg-1 , ��·�� je 0,7 m-1 , �� je 760 kg·m-3, Vypočítajte: a)

rýchlosť uvoľňovania tepla ��(kW), b) trvanie požiaru t (min).

Af = 2 m2

V = 20 L

��% = 70 % → �� = 0,7

��∞ ˝ = 0,039 kg m-2 s-1

∆���� = 46,4 MJ kg-1

���� = 0,7 m-1

�� = 760 kg m-3

a) �� = ? kW

b) t = ? min a)

�� = 1,6 m

�� ˝ = 0,039(1 �� 0,7∙1,6)=0,026 kg m-2 s-1

�� =2∙0,026∙0,7∙46,4=��,69 MW

b)

˝ �� =�� �� =760 0,02=15,2 kg

�� =2∙0,026=0,052 kg ∙ s-1

�� = 15,2 0,052 =290�� ≡�� min

4.3.1. Vypočítajte výšku plameňov ���� (m) pri horení oleja na dne záchytnej nádrže s plochou 2 m2, ak rýchlosť uvoľňovania tepla je 1,69 MW.

Af = 2 m2

�� = 1,69 MW = 1 690 kW ���� = ? m

42 �� = 1,6 m

4.3.2. Vypočítajte teplotu plameňa T0 (°C) v osi symetrie vo výške a) 2 m, b) 2,5 m pri horení oleja na dne záchytnej nádrže. Rýchlosť uvoľňovania tepla je 1,69 MW, 70 % HRR je prenášané konvekciou, výška plameňa je 2,96 m, virtuálne ohnisko je 1 cm pod úrovňou dna nádrže a atmosférická teplota 20 °C.

�� = 1,69 MW = 1 690 kW

��c = 0,7∙��

z0 = - 0,01 m

a) z = 2 m

b) z = 2,5 m

L = 2,96 m

Ta = ��∞ = 20 °C

a) T0 = ? °C

b) T0 = ? °C

∆��0 =25∙

��c = 0,7∙�� = 0,7 ∙ 1 690 = 1 183 kW

a)

25∙34,94=873K = 873 °C ��

25∙24,13=603K = 603 °C

Kapitola 11.3.Výmena plynov, teplota horúcej vrstvy

1 Výmena plynov cez otvory

1.1.1. Pri vnútornom požiari došlo k javu flashover.

a) Vypočítajte hmotnostný tok vzduchu ���� (kg∙s-1) cez otvor so šírkou 3 m a výškou 2 m. b) Koľkokrát sa zmení ����, ak sa zníži šírka otvoru na 0,5 m? �� = 3 m

���� = 2 m

a) ���� = ? kg∙s-1

��2 = 3 m

b) ����2 = ? kg∙s-1

a)

���� =0,5∙���� ∙√���� ���� =���� ∙��= 2 ∙ 3 = 6 m2

���� =0,5∙���� ∙√���� =0,5∙6∙√2= 3 ∙1,41=��,���� kg∙s-1

b)

���� =0,5∙���� ∙√����

���� =���� ∙��2= 2 ∙ 0,5 = 1 m2

����2 =0,5∙���� ∙√���� =0,5∙1∙√2= 0,5 ∙1,41=��,������ kg∙s-1

���� =��∙����2

�� = ���� ����2 = 4,24 0,705 = 6

1.2.1. V priestore s výškou 6 m a otvorom na stene v úrovni podlahy so šírkou a výškou 2 m sa v

dôsledku požiaru vytvorila horúca vrstva s teplotou 300 °C. Vypočítajte potrebnú plochu otvoru v strope

���� (m2), aby výška zadymenia neklesla pod 2 m, ak je treba zabezpečiť ���� 7 kg·s-1 a teplota vzduchu je 20 °C.

Na výpočet použite nasledovný vzťah:

���� = 2 m

���� = 300 °C ≈≈≈ 573,15 K

�� = 2 m ���� = 7 kg·s-1

���� = 20 °C ≈≈≈ 293,15 K

g = 9,81 m·s-2

2 Výška neutrálnej roviny

2.1.1. Vypočítajte výšku neutrálnej roviny HN (m) ak je teplota okolia 27 °C a teplota spalín 813 K

Výmena plynov prebieha cez otvor s dolným okrajom v úrovni podlahy a výškou 2,25 m.

���� = 27 °C ≈≈≈ 300,15 K

���� = 813 K

���� = 2,25 m

= ? m

2.1.2. Vypočítajte výšku neutrálnej roviny ���� (m), ak v miestnosti s výškou 4 m a dverami s výškou

2,25 m a šírkou 0,8 m je hustota studených plynov 1,2 kg·m-3, hustota hornej vrstvy plynov 0,5 kg·m-3 a

únikom dymu cez tri otvory, každý s plochou 1 m2, sa ���� ustálila do výšky 1,8 m nad podlahou. Otvory

sú umiestnené v strope.

3 Teplota horúcej vrstvy

3.1.1. Vypočítajte zvýšenie teploty Δ�� (°C) pri požiari v garáži z ľahkého betónu so šírkou 5,5 m, dĺžkou 9 m a výškou 3,5 m. Jediný stavebný otvor má výšku 2,5 m a šírku 3 m. Rýchlosť uvoľňovania

tepla je 1 440 kW, ℎ�� je 0,0204 kW·m-2·K-1 . 1.1.1. Na výpočet použite vzorec pre výpočet teploty

horúcich plynov vo fáze pre-flashover.

a = 5,5 m

b = 9 m

c = 3,5 m

���� = 2,5 m

ZOZNAM SYMBOLOV A SKRATIEK

 Optická hustota čiastočky alebo aerosólu

 Hustota dymu

������ Teplo uvoľnované za jednotku času na dosiahnutie flashover

���� Teplo prenášané konvekciou za jednotku času

�� " Plošná rýchlosť odhorievania

���� Hmotnostný tok spalín

�� " Rýchlosť vznikajúceho tepla

�������� " Radiácia z okolia

������������ň " Teplo z plameňa

�������������� " Tepelná strata

���� Plocha otvorov

���� Výška otvorov

�� Celkové uvoľnené teplo

�� Rýchlosť uvoľňovania energie (tepla)

���� " Hustota požiarneho zaťaženia

�� Hmotnostná rýchlosť odhorievania

∆p Zmena hydrostatického tlaku vzduchu

A Plocha otvorov

Af Horizontálna horiaca plocha paliva

AT Plocha povrchov bez otvorov

b Polomer vzostupného prúdu spalín v určitej výške nad palivom

C Uhlík

c Tepelná kapacita, izobarická tepelná kapacita

Cd Koeficient prietoku

CFD Computational Fluid Dynamics/ Výpočtová dynamika prúdenia

CO Oxid uhoľnatý

CO2 Oxid uhličitý

D Priemer; mierka fyzikálneho modelu

Dm Hmotnostná optická hustota dymu

Ei Energia iniciácie

FDS Fire Dynamic Simulator

g Gravitačné zrýchlenie

ΔH0 r Reakčná entalpia

H Vodík

H Entalpia

H Vzdialenosť stredov otvorov

H2O Voda

HBr Kyselina bromovodíková

HCN Kyanovodík

HD Výška zadymeniam, t. j. výška vrstvy dymu nad spodnou časťou otvoru

HF Kyselina fluorovodíková

hk. Koeficient efektívnej tepelnej vodivosti

hl Vzdialenosť neutrálnej roviny od stredu dolného otvoru

HN Výška neutrálnej roviny

HRR Rýchlosť uvoľňovania tepla

hu Vzdialenosť od neutrálnej roviny k stredu horného otvoru

IFE Inštitút požiarnych inžinierov

k Tepelná vodivosť

kρc Tepelná inercia

Lf Stredná výška plameňa

mf Hmotnosť dostupného paliva

mox Hmotnosť dostupného kyslíka

n Látkové množstvo

N2 Molekula dusíka

NFPA Národná asociácia požiarnej ochrany

O2 Molekula kyslíka

p Tlak

P Obvod

p0 Atmosférický tlak

Q Požiarne zaťaženie

Q“ Hustota požiarneho zaťaženia

R Univerzálna plynová konštanta r Vzdialenosť rozšírenia prúdu spalín pozdĺž stropu; podiel hmotnosti paliva reagujúceho s jednotkovou hmotnosťou kyslíka

rf Radiálne rozšírenie plameňa

SO2 Oxid siričitý

T Teplota

t Čas

T∞ Teplota prostredia

Tg Teplota horúcej vrstvy plynov

Ti Počiatočná teplota povrchu paliva

Ts Povrchová teplota

Tw Teplota stropu

u0 Rýchlosť vzostupného prúdu spalín

V Objem

v Rýchlosť

W Šírka otvorov yi Výťažok zložky spalín ys Výťažok sadzí

z Výška

α Koeficient nasávania

δ Hrúbka steny

ΔHc Spaľovacie teplo

ΔHef Efektívne spaľovacie teplo

ΔHg Teplo splyňovania

ρ Hustota

χ Účinnosť spaľovania

�� Ekvivalentný pomer

TERMINOLOGICKÝ SLOVNÍK

Adiabatická teplota plameňa

(angl. Adiabatic flame temperature)

Backdraft

(angl. Backdraught)

Ak sa všetka energia uvoľnená pri horení použije na ohrev teploty produktov, ktoré vznikli počas horenia, teplota, ktorá sa dosiahne, sa nazýva adiabatická teplota. Je to najvyššia teplota, ktorú možno dosiahnuť. Adiabatická teplota plameňa sa však v skutočnosti dosahuje ťažko, pretože časť energie sa stráca už počas horenia.

Obmedzené vetranie počas rozvoja požiaru môže viesť k tvorbe veľkého množstva nespálených plynov. Ak sa náhle objaví otvor, prúdiaci vzduch sa môže zmiešať so splodinami horenia a vytvoriť horľavú zmes kdekoľvek v miestnosti. Ak je prítomný akýkoľvek zdroj zapálenia, napr. uhlíky, spôsobí to zapálenie plynnej hmoty, čo potom výrazne urýchli proces horenia. Keď sa objem plynu rozšíri, spôsobí to, že zvyšok nespálených plynov vytlačí von cez otvor, čím sa vytvorí ohnivá guľa mimo otvoru. Tento jav sa vyskytuje zriedkavo, ale môže byť veľmi nebezpečný.

Deflagrácia

(angl. Deflagration)

Detonácia (angl. Detonation)

Pojem "deflagrácia" sa používa na opis šírenia plameňa vo vopred zmiešanej zmesi plynov. Počas požiaru sa čelo plameňa pohybuje rýchlosťou približne 3 – 5 m∙s-1. Výbuch plynov dymu sa teda považuje za deflagráciu.

Detonácia súvisí s horením, pri ktorom sa plamene šíria veľmi rýchlo, niekedy dokonca rýchlejšie ako zvuk. Rázová vlna a čelo plameňa sú spojené a pohybujú sa cez zmes plynu a vzduchu vysokou rýchlosťou. V skutočnosti sú detonácie spôsobené pevnými výbušnými látkami a nie zmesou plynov.

Difúzny plameň (angl. Diffusion flame)

Dym (angl. Smoke)

Difúzny plameň vzniká vtedy, keď sa palivo a vzduch v okamihu zapálenia navzájom nezmiešajú. Palivo a vzduch sa navzájom rozptyľujú, čím sa v hraničnej vrstve medzi nimi vytvára horľavá oblasť. Príkladom tohto javu je horenie sviečky.

Kombinácia pevných častíc, kvapalných častíc a plynov, ktoré sa uvoľňujú pri pyrolýze alebo horení materiálu. Dym je zahriaty zdroj paliva. Dym je toxická zmes, ktorá obsahuje množstvo jedovatých plynov, ako napr. oxid uhoľnatý, kyanovodík a fosgén.

Dynamika požiaru (angl. Fire dynamics)

Expanzný faktor (angl. Expansion factor)

Explózia (angl. Explosion)

Explózia dymu (angl. Smoke gas explosion)

Podrobné štúdium toho, ako: chémia, požiarna veda, materiálová veda a inžinierske disciplíny mechaniky tekutín a prenosu tepla, vzájomne pôsobia a vplývajú na správanie požiaru.

Keď dôjde k zapáleniu zmesi plynov, teplota sa môže zvýšiť osemnásobne. Zároveň dochádza v rovnakom pomere aj k zväčšeniu (expanzii) objemu týchto plynov.

Exotermický chemický proces, ktorý, ak prebieha za konštantného objemu, vytvára náhle, výrazné zvýšenie tlaku.

Keď nespálené plyny dymu unikajú do priestoru susediaceho s priestorom, v ktorom a vyskytuje požiar, majú spravidla veľmi dobré podmienky pre miešanie sa so vzduchom a pre tvorbu

Faktor turbulencie (angl. Turbulence factor)

Fáza dohorievania (angl. Decay period)

Flashover

Horenie alebo spaľovanie (angl. Burning alebo Combustion)

Kondukcia (angl. Conduction)

Konvekcia (angl. Convection)

Laminárne prúdenie (angl. Laminar flow)

horľavej zmesi. Ak je k dispozícii aj zdroj zapálenia, plyny dymu sa môžu vznietiť. Tento jav sa vyskytuje zriedkavo.

Keď sa plamene šíria, zväčšuje sa ich plocha a následne sa rozbíjajú, čo znamená, že plocha čela plameňa sa zväčšuje. To má za následok zvýšenie rýchlosti horenia.

Fáza nastupujúca po fáze plne rozvinutého vnútorného požiaru V tejto fáze začína teplota klesať, pretože palivo sa spotrebúva. Požiar je kontrolovaný palivom.

Prechod zo štádia rozvoja požiaru do plne rozvinutého požiaru v priestore Prechodné obdobie od chvíle, keď požiar horí lokálne, až do chvíle, keď je požiarom zasiahnutá celá miestnosť. K priestorovému vzplanutiu dochádza vtedy, keď rýchlosť uvoľňovania tepla pri požiari prekročí určitú kritickú úroveň.

Chemický proces oxidácie, ktorý prebieha dostatočne rýchlo na to, aby produkoval teplo a zvyčajne aj svetlo, a to vo forme buď žeravenia, alebo plameňa.

Prenos tepla z priameho kontaktu pevnej látky s vyššou teplotou na pevnú látku s nižšou teplotou

Prenos tepla prostredníctvom pohybu horúceho dymu a plynov na povrchy pevných látok s nižšou teplotou.

Existujú dva rôzne typy prúdenia. Je to zrejmé napríklad pri dyme, ktorý stúpa nahor a vychádza z úzkeho komína. Najskôr sa dym pohybuje v paralelnej vrstve bez miešania. V určitej vzdialenosti od výstupu sa však typ prúdenia mení a častice dymu sa pohybujú po nepravidelných dráhach, vírivým spôsobom. Vrstevnatý typ prúdenia sa označuje ako laminárny. Slovo "laminárny" pochádza z latinského slova "lamina", čo znamená platňa, doska.

Nespálené plyny

(angl. Unburnt gases)

Neutrálna rovina

(angl. Neutral plane)

Plne rozvinutý vnútorný požiar (angl. Fully developed compartment fire)

Ak požiar pokračuje s obmedzenými zásobami kyslíka, dôjde k hromadeniu nespálených plynov. Nespálené plyny sa hromadia vždy, dokonca aj vtedy, ak je zabezpečený dostatočný prívod vzduchu.

Rozhranie pri obojsmernom toku vzduchu, kde sa horúci dym a plyny pohybujú z priestoru cez hornú chladnejšiu vrstvu vzduchu, pričom prúdenie smeruje do priestoru

Toto štádium sa nastane, keď dôjde k flashoveru. V tomto prípade je požiar v priestore riadený ventiláciou a teplota plynov dymu (splodín horenia) zvyčajne dosahuje rádovo 800-900 °C. Plamene sa šíria cez otvory v budove. To znamená, že časť procesu horenia prebieha mimo požiarneho priestoru.

Počiatočné štádium rozvoja požiaru (angl. Early stage of fire development)

Požiar riadený palivom (angl. Fuel control fire)

Obdobie od vzniku požiaru až do vzniku flashoveru.

Po zapálení a na začiatku rozvoja požiaru sa požiar označuje ako riadený palivom, pretože na jeho horenie existuje dostatok

Požiar riadený ventiláciou (angl. Ventilation controlled fire)

vzduchu a rozvoj požiaru je plne riadený vlastnosťami a usporiadaním paliva. Požiar môže byť takisto riadený palivom v neskoršej fáze jeho vývoja.

Ako sa požiar rozrastá, môže sa zmeniť na riadený ventiláciou, keď už nie je dostatok kyslíka na horenie, vznikajú pyrolýzne plyny. Rýchlosť uvoľňovania tepla pri požiari je potom úplne riadená množstvom dostupného vzduchu, v prípade ktorého sa požiar označuje ako požiar riadený ventiláciou.

Predzmiešané plamene (angl. Premixed flames)

Pulzácia (angl. Pulsation)

Vopred zmiešaný (predzmiešaný) plameň vzniká vtedy, keď sa palivo a vzduch navzájom dobre premiešajú ešte pred zapálením

Pulzácie sa občas objavujú, keď požiar vstupuje do fázy riadenej ventilácie. Ak je v miestnosti otvor, požiar má prístup k vzduchu, ktorý umožňuje horenie. V dôsledku toho sa v miestnosti vytvára pretlak a teplota sa zvyšuje. Požiar sa v dôsledku nedostatku kyslíka zmierňuje a teplota klesá, pretože do miestnosti môže byť nasávaný nový vzduch.

Pyrolýza (angl. Pyrolysis)

Radiácia (angl. Radiation)

Proces chemického rozkladu alebo iný proces chemickej premeny komplexných zložiek na jednoduchšie, vyvolaný účinkom tepla bez prístupu kyslíka

Prenos tepelnej energie elektromagnetickými vlnami cez priestor medzi telesom s vyššou teplotou a telesom s nižšou teplotou

Rollover alebo Flameover Stav, keď nezhorené palivo (pyrolyzát) pri požiari sa nahromadí v priestore pod stropom v dostatočnej koncentrácii (t. j, medzi dolnou a hornou hranicou horľavosti), a dochádza k jeho vznieteniu a horeniu.

Rozsah horľavosti (angl. Flammability range)

Rýchlosť horenia (angl. Burning rate)

Rýchlosť úbytku na hmotnosti (angl. Mass loss rate)

Rýchlosť uvoľňovania tepla (angl. Heat release rate)

Spaľovacie teplo (angl. Heat of combustion)

Stechiometria (ideálna zmes) (angl. Stoichiometry (ideal mixture))

Rozsah, v ktorom sa môžu zmesi plynu a vzduchu zapáliť.

Rýchlosť horenia sa používa na opis rýchlosti, ktorou sa plameň pohybuje v plynnej hmote. Základnou jednotkou je m∙s-1

Rýchlosť úbytku hmotnosti je rýchlosť, akou prebieha pyrolýza materiálu, niekedy sa tiež označuje aj ako rýchlosť pyrolýzy. Najčastejšie sa meria v jednotkách g∙m-2∙s-1

Pri horení materiálu sa uvoľňuje teplo. Toto uvoľnené teplo sa vyjadruje vo Wattoch (J s-1).

Pomocou tohto ukazovateľa sa meria množstvo energie, ktorú materiál uvoľňuje pri dokonalom horení v prebytku kyslíka Používanou jednotkou je MJ∙kg-1 alebo kJ∙g-1

Keď sa v priestore vyskytuje presne také množstvo vzduchu, ktoré je potrebné na úplné spálenie paliva, nazýva sa to stechiometrický bod. V tomto prípade vznikajú len produkty dokonalého horenia. V praxi sa to však stáva veľmi zriedkavo.

Turbulentné prúdenie (angl. Turbulent flow)

Existujú dva rôzne typy prúdenia. Je to zrejmé napríklad pri dyme, ktorý stúpa nahor a vychádza z úzkeho komína. Najskôr

Účinnosť spaľovania (angl. Combustion efficiency)

sa dym pohybuje v paralelnej vrstve bez miešania. V určitej vzdialenosti od výstupu sa však typ prúdenia mení a častice dymu sa pohybujú po nepravidelných dráhach, vírivým spôsobom. Nepravidelný typ prúdenia sa označuje turbulentný. Slovo turbulentný je odvodený z latinského slova "turbulentur", čo znamená rozbúrený alebo nepokojný.

Látka, ktorá horí, len zriedka uvoľní všetku svoju energiu, dokonca aj keď je k dispozícii dostatok kyslíka. Časť z nej zostáva nespotrebovaná v dyme, ktorý prúdi k stropu. Čím menej kyslíka je privádzaného do požiarneho priestoru, tým viac nespálených plynov vzniká.

Výparné teplo (angl. Heat of vaporisation)

Výparné teplo je množstvo tepla potrebné na premenu jednotkového množstva kvapaliny na paru rovnakej teploty.

ISBN 978-80-228-3344-8