Εισαγωγή

Η φωτιά σε ένα διαμέρισμα συνεπάγεται την ανάσχεση του καπνού και το ενδεχόμενο της διασποράς της φωτιάς πέραν του διαμερίσματος. Οι μικρές φωτιές μπορούν να μεταφέρουν τον καπνό σε μεγάλες αποστάσεις. Οι μεγάλες φωτιές μπορεί να επηρεασθούν από το διαμέρισμα: ενισχύονται λόγω θερμικής ανατροφοδότησης (αυξημένη μεταφορά θερμότητας) και ελαττώνονται λόγω μόλυνσης του οξυγόνου (ελαττωμένη ροή αέρος προς την φωτιά). Η κίνηση του καπνού και του αέρος, σ' αυτού του είδους τις φωτιές, διατηρείται λόγω των επιδράσεων της άντωσης ως αποτέλεσμα των αυξημένων θερμοκρασιών. Χαρακτηριστικά, η εξαναγκαστική παροχή αέρος του κλιματισμού σε ένα κτίριο είναι υποδεέστερη προς αυτή την αντωτική ροή. Θα εξετάσουμε αυτές τις επιδράσεις και θα παρουσιάσουμε ορισμένους απλοποιημένους, αλλά πολύ χρήσιμους, τύπους για την εκτίμηση των θερμοκρασιών του καπνού και των ρυθμών ροής.

Φάσεις Ανάπτυξης της Φωτιάς

Η φωτιά σε ένα διαμέρισμα, αρχικά, δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες του διαμερίσματος, αλλά καθώς το οξυγόνο ελαττώνεται στο διαμέρισμα και καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του διαμερίσματος, οι συνθήκες εντός αυτού παίζουν ένα ρόλο στη συμπεριφορά της φωτιάς. Οι φάσεις μιας φωτιάς σε ένα διαμέρισμα μπορούν να περιγραφούν ως ακολούθως. Οι φωτιές βραδείας καύσης εξαιρούνται και θα αναπτυχθούν αργότερα.
1. Αναπτυσσόμενη φωτιά. Αμέσως μετά την ανάφλεξη, η φωτιά αναπτύσσεται επί
ενός αντικειμένου και πιθανόν να εμπλέξει και άλλα αντικείμενα. Η συγκέντρωση οξυγόνου και οι θερμοκρασίες του δωματίου δεν διαφέρουν πολύ από αυτές του κανονικού αέρος. Η φωτιά συμπεριφέρεται ως να έκαιγε σε ανοικτό χώρο, για το μεγαλύτερο διάστημα. Δείτε το σχήμα 9-1 α.
2. Έκλαμψη. Η έκλαμψη χαρακτηρίζει μια δραματική αύξηση των συνθηκών της φωτιάς λόγω του περιορισμένου χώρου του διαμερίσματος.  Μπορεί  να προκληθεί από διάφορες καταστάσεις:
α. την απότομη ανάφλεξη και διάδοση της φλόγας των υλικών, λόγω της αυξανόμενης θερμικής ροής
β. τη συσσώρευση των "πλούσιων" σε καύσιμη ύλη αερίων και της απότομης έκθεσης των στον αέρα, συνήθως αποκαλούμενη και "ξέσπασμα φωτιάς" από την πυροσβεστική υπηρεσία
γ. την ανάπτυξη του ρυθμού καύσης και της απότομης επέκτασης των φλογών μέσα στο δωμάτιο
Οι καταστάσεις (α) και (γ) αναφέρονται στην απεικόνιση του σχήματος 9-1 β.
Η έκλαμψη συνήθως προκαλεί τη φωτιά να φθάσει στη πλήρη ανάπτυξη της κατά την οποία όλη η καύσιμη ύλη εντός του δωματίου εμπλέκεται (παίρνει μέρος). Όμως, πιθανόν όλες οι καύσιμες ύλες να μη μπορούν να καούν εντός του δωματίου, διότι η παροχή αέρος είναι περιορισμένη. Τέτοια φωτιά περιορισμένης ποσότητος αέρος καλείται

περιορισμένου αερισμού ή ελεγχόμενου αερισμού σε αντιδιαστολή με τη φωτιά περιορισμένης καύσιμης ύλης, το οποίο είναι ενδεικτικό της αναπτυσσόμενης φωτιάς. Προηγουμένως, γι' αυτή την περιορισμένου αέρος κατάσταση, χρησιμοποιούσαμε τον όρο υποαεριζόμενη, όταν συζητούσαμε τα στοιχεία των παραγώγων. Για τις φωτιές διαμερισμάτων, αυτοί οι νέοι όροι έχουν γίνει κοινής χρήσης. Όταν συμβαίνει η συνθήκη του περιορισμένου αερισμού, η παραγωγή του CO, καπνού και ενέργειας έχουν τις μεγαλύτερες τιμές τους. Επίσης, η συγκέντρωση του οξυγόνου εντός του στρώματος του καπνού πλησιάζει το μηδέν. Η έκλαμψη χαρακτηρίζει την αλλαγή στην οποία η ανάπτυξη της φωτιάς δεσπόζετε από τα καύσιμα υλικά και στη συνέχεια ελέγχεται βασικά από τις συνθήκες αερισμού που είναι ενδεικτικές του δωματίου και της γεωμετρίας του κτιρίου.
3. Πλήρως ανεπτυγμένη. Αυτή η φάση χαρακτηρίζεται από φλόγες που περιβάλλουν πλήρως το δωμάτιο, με την πιθανότητα ακόμη και να ξεπηδήσουν (οι φλόγες) από τα παράθυρα και τις πόρτες. Όλη η καύσιμη ύλη έχει εμπλακεί στη φωτιά με το μεγαλύτερο της δυναμικό. Αυτή η περίοδος περιλαμβάνει πιθανή δομική ζημιά και οι συνθήκες θερμικής ροής μέσα στο δωμάτιο μπορεί να φθάσουν μέχρι και 150 KW/m. Ανάλογα με την διαθέσιμη παροχή αέρος, αυτή η περίοδος (φάση) μπορεί να είναι ή και να μην είναι περιορισμένου αερισμού. Τα περισσότερα διαμερίσματα και κτίρια "πέφτουν" στη φάση περιορισμένου αερισμού εκείνο το διάστημα της φωτιάς. Μια φωτιά σε γυάλινο πολυώροφο κτίριο γραφείων, με πλήρη φωτιά σε έναν όροφο και όλα τα παράθυρα σπασμένα, θα μπορούσε να είναι πλήρους ανάπτυξης αλλά όχι περιορισμένου αερισμού. Για μια φωτιά περιορισμένου αερισμού, ο ρυθμός έκλυσης ενέργειας του δωματίου, Q, καθορίζεται από το διαθέσιμο ρυθμό του παρεχόμενου αέρα. Βλέπε σχήμα 9-1 γ.
Ένα παράδειγμα των μεταβλητών σε καπνό που περιέχεται σε μια αναπτυσσόμενη εντός δωματίου φωτιά δείχνεται στο σχήμα 9-2. Αυτή η φωτιά άρχισε ως μια βραδεία καύση η οποία μεταβλήθηκε σε φωτιά με φλόγες σε περίπου 18,5 λεπτά. Η έκλαμψη γίνεται αντιληπτή σε 25,5 λεπτά. Η θερμοκρασία είναι 500 F (260 °C) εκείνη τη στιγμή, αλλά φθάνει στους περίπου 1000 F (538 °C) σε λιγότερο από ένα λεπτό. Αυτό επίσης δείχνει ότι η αίσθηση της έκλαμψης που δημιουργείται σε έναν παρατηρητή δεν είναι αναγκαίο να είναι αυτό που σχετίζεται ακριβώς με τους 500 έως 600 "C. Έτσι αυτό το κριτήριο της θερμοκρασίας μετατοπίζεται, κατά κάποιο τρόπο, περίπου έως 30 δευτερόλεπτα. Τέτοιες ενδείξεις και κριτήρια για την ορμητική εκδήλωση της έκλαμψης υπόκεινται σε μεταβολές (διαφοροποιήσεις). Όμως, αναμφίβολα, μια απότομη αλλαγή πράγματι έχει λάβει χώρα. Το οξυγόνο (U2) μηδενίζεται, το CO ανέρχεται στο μέγιστο 7% και η θερμοκρασία τελικά φθάνει στους 1600 °Γ (870 °C). Γενικά, οι θερμοκρασίες δωματίου με πλήρως αναπτυγμένη φωτιά φθάνουν τους 800 "C έως 1000 "C. Υπόψη ότι η συγκέντρωση σε HCN από την πολυθρόνα αφρού πολυουρεθάνης δεν αυξάνει εφ' όσον δεν έχει "προχωρήσει" αρκετά η φάση της έκλαμψης. Επίσης, το γεγονός ότι το οξυγόνο μηδενίζεται και παραμένει έτσι (μηδενισμένο) δείχνει ότι η φωτιά έχει χρησιμοποιήσει όλο το οξυγόνο του αέρα που μπήκε στο δωμάτιο και έτσι είναι περιορισμένου αερισμού (το δωμάτιο).

Ροές προκαλούμενες από τη φωτιά

Οι ροές δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της φωτιάς ή γενικά λόγω οποιασδήποτε πηγής θερμότητας και της, ένεκα αυτής, προκαλούμενης άντωσης. Η άντωση δημιουργεί μια διαφορά πίεσης που προκαλεί μια ταχύτητα. Ως επέκταση των ιδεών του Κεφαλαίου 7, αυτή η διαφορά πίεσης Δρ (το Δ σημαίνει διαφορά των ρ, π.χ. pa-pi) είναι:
Δρ = (pα-ρ)gΗ
όπου pα είναι η πυκνότητα του αέρος (ψυχρού)
ρ είναι η πυκνότητα του καπνού της φωτιάς (ζεστού) g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας, 9,81m/s και Η είναι το κάθετο ύψος (μεταξύ του 1 και 2)

Δυναμικές Ροών Εντός Διαμερισμάτων

Ας εξετάσουμε πώς ρέει ο καπνός εντός μονού δωματίου και εντός οικοδομής.

Στρώματα και ροές αεραγωγών

Μια φωτιά σε δωμάτιο με μια πόρτα ή παράθυρο ανοικτό θα προκαλούσε αρχικά την συσσώρευση του καπνού στο ταβάνι σε διακεκριμένο στρώμα. Μετά το στρώμα καπνού θα πέσει κάτω από το πρέκι του αεραγωγού και θα αρχίσει να ρέει προς τα έξω από τον αεραγωγό. Το στρώμα καπνού θα συνεχίζει να πέφτει καθώς η θερμοκρασία ή η φωτιά Q, αυξάνει. Η ψύξη ή μείωση του Q προκαλεί ανύψωση του στρώματος. Μια πλήρως ανεπτυγμένη φωτιά δωματίου μπορεί να έχει ένα στρώμα αρκετές ίντσες πάνω από το πάτωμα. Αυτό το σενάριο απεικονίζεται στο σχήμα 9-4. Η ροή εισέρχεται στον αεραγωγό κάτω από το ουδέτερο επίπεδο και ο καπνός φεύγει πάνω απ' αυτό το ύψος. Το στρώμα καπνού βρίσκεται χαμηλότερα από το ουδέτερο επίπεδο στο δωμάτιο.
Πάνω απ' αυτό το ύψος στρώματος η προσαγωγή τροφοδοτεί με αέρα τη φωτιά. Πολύ μικρή ανάμιξη πραγματοποιείται κατά μήκος του διαχωριστικού του στρώματος καπνού. Πραγματικά στοιχεία θερμοκρασιών των αερίων του δωματίου και των επιφανειών των τοίχων δεικνύονται στο σχήμα 9-5. Γενικά, το στρώμα αναδεύεται, προκαλώντας μια σχεδόν ενιαία θερμοκρασία έξω από τις γλώσσες της φωτιάς. Ορισμένη μίξη και θέρμανση προσδίδει στο κατώτερο στρώμα μια θερμοκρασία υψηλότερη από αυτή του εισερχόμενου αέρα. Προσέξτε πώς συμπεριφέρονται οι θερμοκρασίες των τοίχων στο σχήμα 9-5,

Αυτές οι δυναμικές των ροών αυξάνουν την προσέγγιση πρόβλεψης των πυρκαγιών διαμερισμάτων - ένα μοντέλο διπλού στρώματος αρκετά καλά αναμεμιγμένων. Σε κάθε περίπτωση, αυτή η ιδέα του διπλού στρώματος αποτελεί καλό τρόπο εξέτασης της συμπεριφοράς του καπνού στη φωτιά. Είναι σταθερά διαχωρισμένος (ο καπνός), δηλαδή η υψηλότερη του θερμοκρασία τον διατηρεί από τον σχετικά ψυχρότερο αέρα. Πολύ λίγη μίξη λαμβάνει χώρα μεταξύ αυτών των ζεστών και ψυχρών περιοχών. Όμως η ανάμιξη μπορεί να συμβεί στους αεραγωγούς, στους ψυχρότερους τοίχους, σε φρεάτια, κτλ. Η περιοχή ψυχρών αερίων μπορεί να θερμανθεί και μολυνθεί με προϊόντα καύσης.

Πλήρωση με ατμό

Εάν ένα διαμέρισμα είναι κλειστό ή βρίσκεται στην αρχική φάση της φωτιάς πριν ο καπνός φύγει δια μέσου των αεραγωγών, οι δυναμικές που επικρατούν είναι αυτές της πλήρωσης του. Αυτή η διαδικασία είναι το αντίθετο του γεμίσματος μιας μπανιέρας με νερό. Το ενδιάμεσο τμήμα του καπνού κινείται προς τα κάτω για να γεμίσει το δοχείο και ακόμη και αν το δοχείο έχει μια διαρροή, θα γεμίσει εάν η φωτιά είναι αρκετή. Όλα τα οικήματα έχουν διαρροές, δεν έχουν κατασκευασθεί απόλυτα στεγανά. Ορισμένες εξαιρέσεις αποτελούν οι θάλαμοι των πυρηνικών αντιδραστήρων, τα διαστημόπλοια και ορισμένα βιομηχανικά κιβώτια. Σ' αυτά, η φωτιά προκαλεί αύξηση της πίεσης και πιθανόν να προκληθεί ζημιά στο κιβώτιο. Για τα κανονικά οικήματα (κτίρια), η πίεση αλλάζει ελαφρώς, ώστε να προκαλέσει την ανάλογη ροή. Η πλήρωση ενός διαμερίσματος με διαρροές στο πάτωμα και την οροφή, δείχνεται στο σχήμα 9-6.

Κατά τη διάρκεια της πλήρωσης και των διαρροών, η πίεση παραμένει ελαφρώς θετική προκαλώντας ροή προς τα έξω του δωματίου. Εάν η φωτιά σβήσει, λόγω έλλειψης οξυγόνου, επικρατεί ψύξη και η πίεση γίνεται αρνητική, τραβώντας αέρα προς τα μέσα (του δωματίου). Αυτός ο αέρας μπορεί να αναζωογονήσει τη φωτιά και η "αναπνοή" αρχίζει πάλι. Οι πυροσβέστες γνωρίζουν αυτή την ένδειξη και αποφεύγουν τον εξαερισμό τέτοιων "αναπνεόντων" εσώκλειστων χώρων. Αυτή η κατάσταση έχει ένα δυναμικό για απότομη ανάφλεξη των συσσωρευμένων καπνών.

Ένα δωμάτιο με έναν αεραγωγό πληρούται κατά την αρχική φάση ανάπτυξης. Οι δυναμικές της πίεσης και της ροής δεικνύονται στο σχήμα 9-7. Μόλις το διαχωριστικό στρώμα καπνού, HI, πέσει κάτω από το πρέκι του αεραγωγού, η ροή στον αεραγωγό αρχίζει να γίνεται διπλής κατεύθυνσης. Από εκεί και μετά, ο ρυθμός ροής προς τα μέσα του δωματίου είναι σχεδόν ίσος προς το ρυθμό ροής προς τα έξω του δωματίου. Για μια σταθερή θερμοκρασία καπνού, το σχήμα 9-7γ, υπερισχύει. Το ύψος του ουδέτερου επιπέδου μπορεί να αλλάξει από περίπου Η0/2, σε Η0/3 καθώς το διαμέρισμα περιβάλλεται πλήρως με φλόγες. Σε εκείνη τη φάση το στρώμα του καπνού μπορεί να πέσει μέχρι και μερικές ίντσες από το πάτωμα.

Κίνηση του καπνού εντός κτιρίου

Η δυναμική της κίνησης του καπνού δια μέσου ενός κτιρίου δεν έχει μελετηθεί αρκετά, όμως, μπορούμε να περιγράψουμε ποιοτικά την συμπεριφορά του καπνού.
Το σχήμα 9-8 δείχνει μια σταθερή ροή εντός διαδρόμου ο οποίος έχε! μια εξαγωγή αεραγωγού. Ένα στρώμα χωρισμένο σε τμήματα σχηματίζεται των οποίων τα ύψη (πάχη) διαχωρισμού εξαρτώνται από το μέγεθος του ανοίγματος. Όσο μικρότερο είναι το άνοιγμα, τόσο χαμηλότερο (λεπτότερο) είναι το ύψος διαχωρισμού των στρωμάτων (βλέπε σχήμα 1-5). Μέσα στον διάδρομο των ζεστών και ψυχρών στρωμάτων το ίχνος της ροής είναι περίπλοκο όπως φαίνεται στο σχήμα 9-8.

Εάν η ροή είναι σταδιακή, έχουμε τη διαδικασία που φαίνεται στο σχήμα 9-9α . Ο καπνός αρχίζει να "στάζει" προς τα κάτω στους ψυχρότερους τοίχους καθώς το διαχωριστικό στρώμα πλησιάζει προς το πάτωμα. Άλλη πιθανή ροή οφείλεται σε ξαφνική απελευθέρωση ή αύξηση του καπνού εντός του διαδρόμου. Η αρχική ορμή, ή κινητική ενέργεια του καπνού, μπορεί να προκαλέσει μια αναπαραγωγή (διάδοση) του μετώπου που θα μπορούσε να στραφεί εναντίον του (του καπνού). Μια τέτοια ροή θα γέμιζε τον διάδρομο με μια πλάγια κίνηση, συγκριτικά με την πιο ήρεμη πλήρωση (βλέπε σχήμα 9-9β).
Η προς τα πάνω ροή σε φρεάτιο (ανελκυστήρας ή ορυχείου) θα είναι αρχικά όπως το λοφίο μιας φλόγας μέχρι οι τοίχοι να εμποδίσουν το λοφίο (γλώσσα) της. Αυτή η ροή δείχνεται στο σχήμα 9-11. Μετά την παρεμπόδιση, μια διαδικασία μίξης λαμβάνει χώρα που μεταφέρει τον καπνό προς τα επάνω. Όταν το φρεάτιο γεμίσει με ζεστό καπνό ενεργεί όπως κάθε καμινάδα. Η επακολουθούσα ροή εντός του φρεατίου εξαρτάται από τους αεραγωγούς και διαρροές στο φρεάτιο.
Το σχήμα 9-12 δείχνει τη διαδικασία ροής σε κτίριο που έχει πληρωθεί (γεμίσει) με καπνό. Το ζεστό φρεάτιο μεταφέρει τον καπνό προς τα επάνω πατώματα και ο καπνός διαρρέει προς τα έξω πάνω από το ουδέτερο επίπεδο του κτιρίου. Για την απλή περίπτωση όπου υπάρχουν τόσοι αεραγωγοί πυρός όσα και τα πατώματα (όροφοι), το ύψος του ουδετέρου επιπέδου του κτιρίου αναφορικά με τον καιόμενο όροφο είναι:

ΗΝ/HB=1/ 1+Τα/Τ
όπου Τα είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρος σε Κ και Τ είναι η μέση θερμοκρασία του καπνού σε Κ (Kelvin).

Αφού ο καπνός θα ψυχθεί σημαντικά σε ένα μεγάλο κτίριο, Τ « Τα. Δεν θα ήτο παράλογο να βρίσκουμε ΗΝ/ΗΒ = 0,5. Υπόψη ότι, ο καιόμενος όροφος θα έχει το δικό του ουδέτερο επίπεδο, πράγμα που έχουμε αγνοήσει για να φθάσουμε στην εξίσωση (9-5). Επίσης, ο άνεμος, οι φυσικές ροές του κτιρίου λόγω άντωσης και οι ροές λόγω των συστημάτων ψύξης - θέρμανσης του κτιρίου επηρεάζουν την δυναμική του καπνού του κτιρίου. Αυτές οι φυσικές ροές λόγω κανονικών αντώσεων του κτιρίου αναφέρονται ως ροές λόγω του φαινομένου της καπνοδόχου. Ένα ψυχρό κτίριο σχετικά με το περιβάλλον δημιουργεί ροές αντίθετες προς αυτές του σχήματος 9-12. Μια φωτιά σε ένα κτίριο που κλιματίζεται το καλοκαίρι θα έδειχνε μια προς τα κάτω κίνηση του καπνού και διαρροών του καπνού κάτω από το καιόμενο πάτωμα.
Ανάλυση Πυρκαγιάς Μονού Δωματίου
Ας εξετάσουμε πως να κάνουμε ορισμένες ποσοτικές εκτιμήσεις για μονό δωμάτιο. Θεωρούμε ότι το δωμάτιο έχει έναν αεραγωγό και θα δείξουμε πως υπολογίζεται ο ρυθμός ροής του καπνού δια μέσου του αεραγωγού καθώς και η θερμοκρασία του.
Ροές του αεραγωγού
Είδαμε στο σχήμα 9-7γ ότι η διαφορά πίεσης που προκαλείται από τη διαφορά θερμοκρασιών του καπνού και του αέρα καθοδηγεί την ροή δια μέσου του αεραγωγού. Ο ρυθμός ροής του καπνού προς τα έξω ισούται σχεδόν με το ρυθμό της ροής του αέρα προς τα μέσα. Οι ακριβείς ρυθμοί εξαρτώνται από τη διαφορά θερμοκρασίας και το μέγεθος του ανοίγματος του αεραγωγού. Για έναν αεραγωγό ύψους Η0 και επιφανειακής διατομής Α0, ο μέγιστος ρυθμός ροής αέρος, ma μέγιστον δίδεται από
ma μέγιστον = 0,5 Αo √Ηο (Kg/s)
όπου Αο είναι σε τετραγωνικά μέτρα και το Ηο σε μέτρα.

Οι μεγάλοι αεραγωγοί' και οι θερμοκρασίες πολύ πιο κάτω από 800 °C έχουν χαμηλότερους ρυθμούς ροής, όπως δείχθηκε από πραγματικά στοιχεία στο σχήμα 9-13 .

Η φωτιά αναπτύσσεται σε δωμάτια κατά φάσεις: αρχικά, μια σχεδόν ελεύθερης καύσης φάση χωρίς καμία επίδραση από το δωμάτιο, μετά μπορεί να συμβεί έκλαμψη (απότομη ανάφλεξη σε θερμοκρασίες καπνών από 500 έως 600 °C). Ακολουθεί μια πλήρως ανεπτυγμένη φάση, η οποία είναι περιορισμένου αερισμού.
Ο καπνός προχωράει μέσα σε ένα κτίριο λόγω της άντωσης που προκαλείται από την θερμότητα της φωτιάς. Πολύ μικρές αλλά διακριτικές διαφορές πίεσης καθοδηγούν τις ροές. Ο καπνός γενικά διαχωρίζεται σε στρώματα στα υψηλά ζεστά επίπεδα.
Ο ρυθμός ροής του αέρος δια μέσου αεραγωγών και η θερμοκρασία του στρώματος καπνού σε ένα εξαεριζόμενο δωμάτιο, μπορούν να προβλεφθούν από απλούς τύπους, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επεξήγηση πολλών όψεων της ανάπτυξης της φωτιάς. Οι φωτιές βραδείας καύσης (σιγοκαίουσες φωτιές), οι οποίες παράγουν σημαντικά παράγωγα CO, μπορούν να οδηγήσουν σε ανικανότητα (απώλεια αισθήσεων) σε σχεδόν 1 έως 2 ώρες σε χαρακτηριστικούς κατοικήσιμους χώρους.