Vysoká škola báská - Technická univerzita Ostrava

Komentáře

Transkript

Vysoká škola báská - Technická univerzita Ostrava
Vysoká škola báĖská - Technická univerzita Ostrava
Fakulta bezpeþnostního inženýrství
Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva
PĜíprava metodiky pro simulaci jevu Backdraft
v zaĜízení Flashover kontejner
Student: Lukáš Dostál
Vedoucí bakaláĜské práce: Ing. OndĜej Zavila, Ph.D.
Studijní obor: Technika požární ochrany a bezpeþnosti prĤmyslu
Datum zadání bakaláĜské práce: 28. 11. 2008
Termín odevzdání bakaláĜské práce: 30. 4. 2009
„MístopĜísežnČ prohlašuji, že jsem celou bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ.“
V OstravČ, 30. dubna 2009
………..………………….
Lukáš Dostál
Své podČkování bych chtČl vČnovat Ing. OndĜeji Zavilovi, Ph.D. za odborné vedení a
konzultace pĜi zpracování této práce, Ing. Petru Bitalovi za cenné rady a poskytnuté materiály
k problematice jevĤ nelineárního rozvoje požáru, dále pak Ing. Marku Sobkovi a Ing. Ivo
Jahnovi (HZS ýR Olomouckého kraje) za materiály k zaĜízení Flashover kontejner a simulaci
jevu Backdraft provedené ve Švédsku. Na závČr bych chtČl podČkovat Ing. Františku Losovi
(HZS ýR Libereckého kraje) za videozáznamy a fotografie poĜízené pĜi simulaci jevu
Bakdraft ve Švédsku.
Anotace
DOSTÁL, Lukáš. PĜíprava metodiky pro simulaci jevu Backdraft v zaĜízení Flashover
kontejner : bakaláĜská práce. Ostrava : VŠB – TU Ostrava, FBI, 2009, 55 s.
BakaláĜská práce se zamČĜuje na pĜípravu metodiky pro simulaci jevu Backdraft v zaĜízení
Flashover kontejner. DČlí se do šesti þástí. První þást obsahuje literární rešerši k jevu
Backdraft. Druhá þást je zamČĜena na problematiku hoĜení a požáru v uzavĜeném prostoru. Ve
tĜetí a þtvrté þásti je popsaný jev Flashover a zaĜízení Flashover kontejner v Hamrech.
Následující þást je vČnována jevu Backdraft a následnému porovnání s jevem Flashover.
Poslední þást obsahuje výþet možných fyzikálních i matematických pĜístupĤ k simulaci jevu
Backdraft. V závČru práce je uveden subjektivní názor autora na vhodný zpĤsob budoucí
realizace simulace jevu Backdraft ve Flashover kontejneru založený na provedené rešerši.
Klíþová slova
Backdraft, Flashover, fyzikální experiment, HZS ýR, matematické modelování, požár
Annotation
DOSTAL, Lukas. Preparation of Methodology for Backdraft Phenomenon Simulation in
Flashover Container : thesis. Ostrava : VSB – Technical University of Ostrava, Faculty of
Safety Engineering, 2009, 55 p.
This thesis deals with the methodology of Backdraft effect simulation in Flashover Container.
The work is divided into six parts. The first part deals with Backdraft literature search. The
second part focuses burning and fire in enclosed space. The third and fourth parts contain a
description of Flashover effect and Flashover Container in Hamry. The following part deals
with Backdraft effect and its comparison with Flashover effect. The last part includes a list of
practicable Backdraft effect simulation approaches, both Physical and Mathematical. In the
final part the author suggests an appropriate way of future Backdraft effect simulation in
Flashover Container based on literature search.
Key words
Backdraft, Fire, Fire and Rescue Service of the Czech Republic, Flashover, Mathematical
Modeling, Physical Experiment
Obsah:
Úvod........................................................................................................................................... 1
1.
Rešerše jevu Backdraft .................................................................................................... 3
2.
Požár v uzavĜeném prostoru ........................................................................................... 8
3.
4.
5.
6.
2.1
Základy hoĜení............................................................................................................ 8
2.2
Formy pĜenosu tepelné energie .................................................................................. 9
2.3
Definice požáru ........................................................................................................ 10
2.4
Rozvoj požáru v uzavĜeném prostoru....................................................................... 11
Flashover ......................................................................................................................... 14
3.1
Definice Flashoveru ................................................................................................. 14
3.2
Základní charakteristiky Flashoveru ........................................................................ 15
3.3
Vznik jevu Flashover ............................................................................................... 16
3.4
PrĤvodní znaky Flashoveru...................................................................................... 18
Flashover kontejner ....................................................................................................... 19
4.1
Funkþní a dispoziþní þlenČní .................................................................................... 20
4.2
Technický popis trenažéru ....................................................................................... 21
4.2.1
ZajištČní tepelné izolace obvodových konstrukcí ............................................ 21
4.2.2
Nosné konstrukce a podlaha............................................................................. 22
4.2.3
UzávČry otvorĤ a odvČtrání .............................................................................. 22
4.2.4
Speciální zaĜízení ............................................................................................. 23
Backdraft......................................................................................................................... 24
5.1
Definice jevu Backdraft ........................................................................................... 24
5.2
Základní charakteristiky Backdraftu ........................................................................ 25
5.3
Vznik jevu Backdraft ............................................................................................... 26
5.4
Hustotní proud.......................................................................................................... 28
5.5
PrĤvodní znaky Backdraftu...................................................................................... 29
5.6
Porovnání jevu Backdraft a Flashover ..................................................................... 30
Možné pĜístupy k simulaci jevu Backdraft.................................................................. 31
6.1
Fyzikální experimenty provedené v minulosti ......................................................... 32
6.1.1
ZaĜízení používané Fleischmannem................................................................. 32
6.1.2
ZaĜízení používané Gojkovicem ...................................................................... 33
6.1.3
Postup pĜi experimentech ................................................................................. 35
6.1.4
6.2
Výsledky experimentĤ...................................................................................... 35
Simulace jevu Backdraft ve Švédsku ....................................................................... 41
6.2.1
Použité zaĜízení ................................................................................................ 41
6.2.2
Postup pĜi simulaci jevu Backdraft .................................................................. 41
6.3
ZávČr z praktických simulací ................................................................................... 44
6.4
Matematické modelování ......................................................................................... 45
6.4.1
Modely deterministické.................................................................................... 45
6.4.2
PravdČpodobnostní modely .............................................................................. 47
ZávČr........................................................................................................................................ 48
Literatura ................................................................................................................................ 51
Seznam zkratek ...................................................................................................................... 54
Seznam pĜíloh ......................................................................................................................... 55
Úvod
V souþasné dobČ rozvoj vČdy a techniky jde neustále vpĜed. Staví se rozlehlé haly,
supermarkety, sklady, byty, apod. Budovy se zateplují, vybavují se komfortním nábytkem.
Stavebnictví nabízí nesþetné možnosti. Z dĤvodu úspory energie se provádí zateplení fasád,
stĜech, instalují se plastová okna, hojnČ se používá sádrokarton aĢ už na vnitĜní pĜíþky,
zavČšené podhledy nebo obklady. Objekty a jejich vnitĜní prostory jsou tedy tepelnČ
izolované, utČsnČné a obsahují dostatek hoĜlavých materiálĤ. Z hlediska likvidace požáru jsou
tyto podmínky velice nebezpeþné pro zasahující hasiþe.
Nejvíce zásahĤ je provádČno na mimoĜádné události jako je technická havárie (Obr. 1). Dalo
by se Ĝíct, že požáry jsou nČkdy na druhém až tĜetím místČ, co se týþe poþtu zásahĤ. Pokud
budeme uvažovat požáry bytového fondu, pak v letech 2003 až 2007 nebyl bČhem ani
jednoho roku poþet zásahĤ vČtší než 3000 [24].
Obr. 1 – PĜehled mimoĜádných událostí v ýR [1]
Jev Backdraft, který mĤže být spojený s nelineárním rozvojem požáru, má velmi rychlý
prĤbČh a je velmi nebezpeþný, pĜestože se vyskytuje jen velmi zĜídka. V zahraniþí zemĜelo a
1
bylo zranČno mnoho hasiþĤ a obþanĤ, kteĜí se s tímto jevem setkali. Dokládají to záznamy
událostí spojených s tímto jevem. Zásah Londýnských hasiþĤ na požár v soukromém kinoklubu v centru mČsta, zemĜelo šest lidí [3]. Backdraft usmrtil tĜi hasiþe pĜi požáru v New York
City na 62 Watts Street [2]. Dne 1. února 1996 ve mČstČ Blaina v Jižním Walesu (Anglie)
zachvátil požár pĜízemí dvoupatrového domu a vzniklý Backdraft usmrtil dva hasiþe. O tĜi
dny pozdČji Backdraft nastal v supermarketu v Bristol a zasáhl jednoho hasiþe [3]. Backdraft
byl zaznamenán i na území ýR, naštČstí se v daném pĜípadČ nikomu nic nestalo. Jednalo se o
požár sauny v Olomouci [33].
Backdraft se pĜi požárech vyskytuje velice zĜídka, ale když se zasahující hasiþ setká s tímto
jevem, zásah vČtšinou konþí tragicky. PrávČ proto zastávám ten názor, že odborná pĜíprava v
rámci teoretických znalostí a následná praktická simulace tohoto jevu je nezbytná pro výkon
služby zasahujících hasiþĤ. Tato odborná pĜíprava by mČla zajistit pĜipravenost a
akceschopnost zasahujících hasiþĤ pro pĜípad konfrontace s tímto jevem.
Tato bakaláĜská práce si klade za cíl vytvoĜit teoretický podklad pro simulaci jevu Backdraft
v zaĜízení Flashover kontejner a též pro možnou teoretickou odbornou pĜípravu pĜíslušníkĤ
HZS ýR.
BakaláĜská práce je dČlena do šesti þástí. První þást obsahuje rešerši k jevu Backdraft
z dostupné þeské i zahraniþní literatury. Druhá þást práce je zamČĜena na problematiku hoĜení
a požár v uzavĜeném prostoru. Ve tĜetí þásti je popsán jev Flashover, tedy jeho definice, vznik
a ukazatele. Ve þtvrté þásti je prezentováno tréninkové zaĜízení Flashover kontejner v
Hamrech, jeho umístČní, funkþní i dispoziþní þlenČní a technický popis. Následující pátá þást
je vČnována definici, vzniku a projevĤm jevu Backdraft spolu s následným porovnání jevu
Flashover s jevem Backdraft. Poslední, tedy šestá þást pĜedstavuje komplexní nastínČní
možných pĜístupĤ k simulaci jevu Backdraft, možnosti provedení jak fyzikálního
experimentu, tak matematického modelování jevu Backdraft napĜíklad pomocí CFD kódĤ.
Jsou zde také popsány fyzikální experimenty provádČné Gojkovicem [21], Fleischmannem
[16],[20] a simulace jevu Backdraft ve Švédsku. V závČru je vyjádĜen názor autora práce na
možnou budoucí spolehlivou a systematickou simulaci jevu Backdraft ve Flashover
kontejneru a smČry dalšího postupu práce v tomto smČru.
2
1. Rešerše jevu Backdraft
Tato kapitola skýtá pĜehled literatury, která obsahuje cenné informace o jevu Backdraft.
Zdroje informací byly pĜevážnČ z internetu a jedné tištČné publikace. Pouze jedna tištČná
publikace byla pro úþely této práce dostupná. TištČné publikace byly vyhledávány na portálu:
•
Moravskoslezské vČdecké knihovny v OstravČ, pĜíspČvkové organizaci;
•
ÚstĜední knihovny Vysoké školy báĖské – Technické univerzity Ostrava;
•
Knihovny Fakulty bezpeþnostního inženýrství (dále jen FBI).
Hledání na portálech uvedených knihoven bylo bez výsledku. Nebyla nalezena ani jedna
publikace, která by mohla být hodnotným zdrojem pro tuto bakaláĜskou práci.
Co se týþe tištČné publikace, jednalo se o:
Základy požární ochrany [5]
Tato publikace slouží jako uþební text pro studenty FBI. Popisuje fyzikální a chemické
podmínky vzniku požáru, jeho rozvoj, formy pĜenosu tepla a nelineární prĤbČh požáru, kde se
zmiĖuje právČ o jevech Flashover, Backdraft a Smoke Explosion. Snaží se pĜedstavit
þtenáĜĤm základy problematiky požární ochrany.
Nejvíce hodnotné zdroje byly nalezeny na webových stránkách:
•
http://apps.isiknowledge.com;
•
http://scholar.google.cz;
•
http://fire.nist.gov/;
•
http://www.google.cz/;
•
http://www.firetactics.com;
•
http://vincentdunn.com/;
•
http://dspace.vsb.cz.
KromČ posledního uvedeného odkazu, všechny materiály o jevech Flashover a Backdraft byly
v cizím (anglickém) jazyce a zmínČná poslední internetová stránka umožnila pĜístup k plným
textĤm bakaláĜských a diplomových prací FBI v elektronické podobČ.
Zdroje vyhledané na internetových stránkách:
3
Taktika protipožární þinnosti : KOMPLEXNÍ PRģVODCE V BOJI PROTI POŽÁRU
V UZAVěENÉM PROSTORU A TRÉNINK SE SKUTEýNÝM OHNċM (angl. “Tactical
Firefighting : A COMPREHENSIVE GUIDE TO COMPARTMENT FIREFIGHTING &
LIVE FIRE TRAINING”) [3].
Jak z názvu vyplývá, tak tento zdroj slouží jako komplexní prĤvodce v protipožární þinnosti.
Obsahuje teoretické znalosti o vzniku požáru. Dále se vČnuje nutnosti vybavení hasiþĤ
osobními ochrannými prostĜedky. Zabývá se taktéž rozvojem požáru, zamČĜuje se na jevy
Flashover a Backdraft a v závislosti na tČchto jevech navrhuje taktiku hašení pomocí vodní
mlhy a taktiku vČtrání.
Modelování jevu Backdraft : Požár na 62 Watts Street. Studie Národního institutu
standardĤ a technologií (angl. ”Modeling a Backdraft : The Fire at 62 Watts Street. Paper
of National Institute of Standards and Technology“) [2].
28. bĜezna 1984 vznikl požár na 62 Watts Street v þásti mČsta New York, Manhattan (USA).
Nelineární prĤbČh požáru provázel i jev Backdraft. V dĤsledku chybné taktiky vedení zásahu
byli usmrceni 3 hasiþi. Ve zprávČ je popsán požár i zpĤsob vedení zásahu. Modelováním
tohoto požáru se zabýval Richard W. Bukowski ve spolupráci s „Národním institutem
standardĤ a technologií“ (angl. “National Institute of Standards and Technology – NIST“). Pro
modelování byl použit model CFAST.
Prezentace ze svČtové konference o bezpeþnosti pod Asociací národní ochrany : Dosavadní
znalosti a trénink vztahující se k jevu Backdraft, Flashover a dalším jevĤm spojeným s
prudkým rozvojem požáru (angl. “Presentation at the National Protection Association
World Safety Conference : The Current Knowledge & Training Regarding Backdraft,
Flashover, and Other Rapid Fire Progression Phenomen”) [11].
Tento dokument bych oznaþil jako jeden z nejlepších zdrojĤ informací. Na základČ rešerše
literatury rozdČluje jevy prudkého rozvoje požáru na Flashover, Backdraft a Flameover
(Rollover), uvádí jejich definice, ukazatele (projevy fyzikálního dČje) a charakteristické
okolnosti, které mají na vznik a prĤbČh tČchto jevĤ vliv. V další þásti dokumentu je uvedeno
zhodnocení normy NFPA 1001. V podstatČ tato norma pĜedstavuje pĜehled potĜebných
znalostí a dovedností, kterými by mČl hasiþ disponovat, aby byl kvalifikován jako hasiþ. Na
závČr je rozebrána úroveĖ dosavadních knih a uþebnic pro hasiþe s ohledem na požadované
znalosti potĜebné pro hašení.
4
NČmecký požární sbor – Noviny Požární ochrana : Postup otevírání dveĜí s mobilním
uzávČrem proti kouĜi (nČm. “Deutsche Feuerwehr - Zeitung BRANDSchutz :
Türöffnungsprozedur mit einem mobilen Rauchverschluss“) [18].
Dr. Ing. Michael Reick v tomto þlánku nČmeckých novin popisuje nebezpeþí vzniku
Backdraftu v dĤsledku pĜítomnosti smČsi promíchaných pyrolýzních produktĤ se vzduchem
v situaci, kdy hasiþ do tohoto uzavĜeného prostoru vstupuje. S ohledem na možnost vzniku
jevĤ jako je Flashover a Backdraft, nabízí možné Ĝešení takovéto situace, pomocí techniky
otevírání dveĜí s mobilním uzávČrem proti kouĜi.
Prosincový zpravodaj od Vincenta Dunna : Backdraft a Flashover, þím se lisí? (angl.
“December Newsletter by Vincent Dunn : Backdraft and flashover, what is the
difference?”) [19].
Prosincový zpravodaj od Vincenta Dunna se snaží rozlišit jevy Flashover a Backdraft.
Vincent Dunn zde uvádí þtyĜi rozdíly mezi výše zmínČnými jevy a také tĜi zpĤsoby
protipožární taktiky, které pomohou pĜedejít smrti nebo zranČní hasiþĤ pĜi zásahu.
První experimenty jevu Backdraft. Zpráva 3121. Katedra požárnČ-bezpeþnostního
inženýrství Univerzity v Lundu, Švédsko (angl. “Initial Backdraft Experiments. Report
3121. Department of Fire Safety Engineering Lund University, Sweden“) [21].
Ve zprávČ První experimenty jevu Backdraft Daniel Gojkovic prezentuje výsledky tĜíletého
projektu, vytvoĜeného pro Räddningsverket (Švédskou národní záchrannou službu). Tento
projekt mČl název „Backdraft a nedostateþnČ vČtraný požár“ (angl. “Backdraft and
Underventilated Fire“). Jednalo se celkem o 13 experimentĤ provádČných v Backdraft
kontejneru, kde palivem byl zemní plyn. Tyto pokusy byly zaznamenávané, pĜiþemž autor
zpochybĖuje hodnovČrnost þíselných výsledkĤ. DĤvodem zpochybnČní byl výskyt mnoha
okolností, které mohly ovlivnit prĤbČh experimentĤ. V závČru Daniel Gojkovic dává rady, jak
by mČly být provádČny další experimenty jevu Backdraft.
Jev Backdraft. Kalifornská univerzita ve mČstČ Berkeley (angl. ”Backdraft Phenomena .
University of California at Berkeley”) [16].
Tato disertaþní práce od Charlese M. Fleischmanna z Univerzity California v Berkeley byla
vytvoĜena pro „Národní institut standardĤ a technologií“ (angl. “National Institute of
Standards and Technology“) „Výzkumnou laboratoĜ pro oblast staveb a požárĤ“ (angl.
5
“Building and Fire Research Laboratory“) jako grant pod þíslem 60NANBOD1042.
Evidenþní þíslo této práce je NIST – GCR – 94 – 646.
Práce je rozdČlena do tĜí okruhĤ: výzkumné simulace (angl. “exploratory simulations“),
modelování hustotního proudu (angl. “gravity current modeling“), kvantitativní experimenty
Backdraftu (angl.“quantitative Backdraft experiments“). Charles M. Fleischmann v úvodu své
práce hodnotí úroveĖ dosavadního poznání jevu Backdraft. Zjistil, že znalosti jsou
nedostaþující, þasto docházelo k zamČĖování informací o tomto jevu.
V první þásti se Fleischmann snažil bezpeþnČ simulovat Backdraft v laboratoĜi ve speciální
komoĜe. Jednalo se o sérii 23 experimentĤ. Tato þást zahrnuje základní fyzikální podstatu
jevu.
V druhé þásti se zabývá rychlostí hustotního proudu (viz oddíl 5.4) a studiem fyzikálních
procesĤ v oblastí míšení na rozhraní dvou tekutin (voda a slaná voda) o rozdílných hustotách
v tzv. experimentech se slanou vodou. Autor použil experiment s kapalinami na základČ
pĜedpokladu, že míšení plynĤ v prĤbČhu jevu Backdraft bude probíhat na stejném nebo velice
podobném fyzikálním principu. ěeší zde rĤzné varianty geometrie otvoru a jejich vliv na
„hustotní proud“ (angl. “gravity current“).
V poslední þásti je uvedeno 17 experimentĤ s pĜiloženými údaji jako: rychlost proudČní
paliva, teplota horní a spodní vrstvy spalin, pyrolýzních produktĤ a vzduchu (viz oddíl 6.1.1),
prĤtoková rychlost v otvoru pro pĜívod vzduchu o rozmČrech 1,2 m na šíĜku a 0,4 m na výšku,
který byl umístČn uprostĜed krátké stČny naproti hoĜáku. Dále jsou uvedeny hodnoty
statického tlaku v prostoru a koncentrace plynĤ O2, CO2, CO a HC v horní horké vrstvČ
spalin, pyrolýzních produktĤ a vzduchu.
Numerické a experimentální hustotní proudy vztahující se k Backdraftu. ýasopis o požární
bezpeþnost 33 (angl. ”Numerical and experimental gravity currents related to Backdrafts.
Fire Safety Journal 33”) [17].
Tato práce popisuje problematiku hustotních proudĤ (viz oddíl 5.4) bezprostĜednČ pĜed
vznikem jevu Backdraft. Pro osvČtlení tohoto procesu byla provedena simulace, série
experimentĤ dvou tekutin o rozdílných hustotách (voda a slaná voda), tzv. experimenty se
slanou vodou a experimenty jevu Backdraft. PĜi experimentech se slanou vodou se používaly
6
dva druhy otvorĤ: plnČ otevĜený (celá stČna) a otvor uprostĜed stČny ve tĜetinČ výšky prostoru.
Pro experimenty jevu Backdraft byl používán otvor uprostĜed stČny ve tĜetinČ výšky prostoru.
Práce srovnává hustotní proudy v experimentech se slanou vodou s hustotními proudy pĜi
experimentech jevu Backdraft.
Kvantitativní experimenty jevu Backdraft. Internacionál pro obor požární bezpeþnost (angl.
”Quantitative Backdraft Experiments. International for Fire Safety Science”) [20].
Tato zpráva prezentuje 17 experimentĤ jevu Backdraft provádČných v prostoru o rozmČrech
1,2 x 1,2 x 2,4 m za použití plynového hoĜáku na methan jako paliva. Ve zprávČ je popsán
vznik jevu Backdraft a jsou zde pĜiloženy záznamy z vykonaných experimentĤ: rychlost
proudČní paliva, teplota spodní a horní horké vrstvy spalin, pyrolýzních produktĤ a vzduchu,
koncentrace O2, CO, CO2 a HC (uhlovodíky).
7
2. Požár v uzavĜeném prostoru
2.1 Základy hoĜení
HoĜení je fyzikálnČ-chemický proces, pĜi kterém se uvolĖuje jak svČtelná, tak i tepelná
energie. K tomu, aby zaþalo hoĜet, je zapotĜebí palivo (hoĜlavá látka), oxidaþní prostĜedek a
dostateþná iniciaþní energie (Obr. 2).
Obr. 2 - Požární trojúhelník [3]
Palivem rozumíme hoĜlavou látku, která mĤže být ve skupenství kapalném, pevném, nebo
plynném. Oxidaþním prostĜedkem je myšlen vzdušný kyslík. Koncentrace kyslíku v okolní
atmosféĜe je cca 21%. Se snižující se koncentrací kyslíku se hoĜení zpomaluje, až ustává,
resp. vĤbec nenastane. Tzv. aktivaþní (iniciaþní) energii je nutno dodat, aby zapoþala a
následnČ probČhla chemická reakce hoĜení. Její množství potĜebné pro iniciaci hoĜlavého
souboru závisí na:
ƒ
Fyzikálním stavu paliva – hoĜlavé látky (teplota, vlhkost, atd.);
ƒ
Chemickém složení paliva;
ƒ
Množství a rozložení v prostoru;
ƒ
Stavu okolní atmosféry (vlhkost, teplota, tlak, obsah kyslíku);
ƒ
Možnosti pĜístupu kyslíku k palivu.
Všechny tyto faktory ovlivĖují iniciaþní energii a samotný proces hoĜení. Proces hoĜení závisí
také na procentuálním zastoupení kyslíku a pyrolýzních produktĤ v hoĜlavém souboru, popĜ.
pĜítomnosti inhibitorĤ (Obr. 2) [3].
8
Jestliže je hoĜlavá látka zahĜátá na „kritickou teplotu“ tepelného rozkladu a rychlost
uvolĖování plynných produktĤ a par je dostateþná na vytvoĜení hoĜlavého souboru ve smČsi s
kyslíkem, pak následnČ po iniciaci nastává hoĜení [5],[8].
Z toho vyplývá, že pokud chceme zamezit hoĜení, tak musíme jakýmkoli zpĤsobem „rozbít“
tento požární trojúhelník (Obr. 2), tj. odebrat jednu ze složek. NapĜíklad zamezit pĜístupu
kyslíku hasebními látkami nebo odstranit hoĜlavou látku.
2.2
Formy pĜenosu tepelné energie
PĜenos tepelné energie pĜi požáru je realizován tĜemi zpĤsoby: vedením (kondukcí),
proudČním (konvekcí) a sáláním (radiací). K pĜehledu základních znalostí problematiky
pĜenosu tepla bylo þerpáno z literatury [5],[3],[9],[10].
Vedení je pĜímý pĜenos energie v dĤsledku kontaktu ploch obou tČles. Kinetická energie
molekul zahĜívaného materiálu se zvyšuje a s ní také pohyb molekul. Energie pĜechází z jedné
molekuly na další a další. Dochází k prohĜívání materiálu do hloubky. Základním zákonem
pro vedení tepla je zákon FourierĤv, který udává vztah mezi hustotou tepelného toku a
teplotním gradientem:
q = −λ ⋅ grad t
[W.m-2]
λ
souþinitel tepelné vodivosti materiálu, [W.m-1.K-1]
grad t
teplotní gradient (zmČna teploty ve smČru normály k
izotermickému povrchu) [K.m-1]
Z tohoto vztahu vyplývá, že pĜenos tepla vedením je závislý na teplotním gradientu a
souþiniteli tepelné vodivosti. Souþinitel tepelné vodivosti závisí na druhu látky a její teplotČ.
Nejvyšší hodnotu souþinitele mají kovy (λ= 2,3 ÷ 420 [W.m-1.K-1]), jsou tedy nejlepšími
vodiþi tepla. Oproti tomu plasty vedou teplo velmi špatnČ.
ProudČní je pĜenos tepla kapalným nebo plynným médiem. Je vždy doprovázeno vedením
tepla. ProudČní je zpĤsobeno rozdílem hustot mezi horkými a chladnými molekulami plynĤ
pĜi požáru. Se zvyšující se teplotou plynĤ se jejich hustota snižuje, rozpínají se a stoupají
vzhĤru. ProudČní je zpĤsobeno požárem, urþuje jeho smČr a šíĜení. Pro urþení tepelného toku
se používá, tzv. Newtonova rovnice:
9
Q = α ⋅ ∆t ⋅ S
[W]
α
souþinitel pĜestupu tepla, [W.m-2.K-1]
¨t
rozdíl teplot, [°C, K]
S
teplosmČnný povrch, [m2]
Souþinitel pĜestupu tepla α závisí na fyzikálních parametrech tekutin (plynĤ), na rozložení
teplot v tekutinČ, rychlosti proudČní, tvaru obtékaného tČlesa a smČru proudČní vzhledem k
jeho povrchu tohoto tČlesa.
Sálání (tepelná radiace) je pĜestup tepla pomocí elektromagnetických vln v dĤsledku
tepelného stavu tČles. K tomuto pĜenosu tepla není potĜeba hmotné prostĜedí na rozdíl od
obou pĜedcházejících druhĤ pĜenosu tepelné energie. PĜi dopadu na povrch jiných tČles,
pĜípadnČ pĜi prĤchodu jinými tČlesy, se mČní þást záĜivé energie zpČt na energii tepelnou.
Energie vyzaĜovaná tČlesy prudce vzrĤstá s jejich teplotou. VyjadĜuje to základní fyzikální
zákon pro tepelnou radiaci, tj. Stefan - BoltzmanĤv zákon, který pro intenzitu vyzaĜování
definuje vztah:
E = ε ⋅σ ⋅T 4
[W.m-2]
ε
experimentálnČ urþený emisní souþinitel [ - ]
σ
Stefan – Boltzmanova konstanta, σ = 5,67.10-8 [W.m-2.K-1]
T
absolutní teplota povrchu tČlesa [K]
Tepelné záĜení se þasto podílí jak na vzniku požárĤ, tak na jeho šíĜení. StČžuje též práci
jednotek požární ochrany pĜi zásahu a má proto pro požární ochranu mimoĜádný význam.
2.3 Definice požáru
Požárem se rozumí každé nežádoucí hoĜení, pĜi kterém došlo k usmrcení nebo zranČní osob
nebo zvíĜat, ke škodám na materiálních hodnotách nebo životním prostĜedí a nežádoucí
hoĜení, pĜi kterém byly osoby, zvíĜata, materiální hodnoty nebo životní prostĜedí
bezprostĜednČ ohroženy [4].
Z této definice vyplývá, že požár není lidmi Ĝízené hoĜení. Pokud tento jev není lidmi Ĝízen,
tak i jeho prostor, který zaujímá, není pĜedem ohraniþen [5].
10
2.4 Rozvoj požáru v uzavĜeném prostoru
Požárem v uzavĜeném prostoru je myšlen požár vzniklý v prostoru ohraniþeném stavebními
konstrukcemi (napĜ. v bytové jednotce). Je ovlivnČn rozložením hoĜlavého materiálu v místČ
požáru a jeho množstvím. Velmi podstatný vliv na požár má také pĜísun kyslíku do místa
hoĜení.
Volný rozvoj požáru bývá dle dostupné odborné literatury rozdČlen do tĜí, nČkdy do þtyĜ fází.
NapĜíklad do þtyĜ fází je rozdČlen v publikacích [5],[8]:
I. Vznik požáru;
II. Rozvoj požáru;
III. PlnČ rozvinutý požár;
IV. DohoĜívání.
Paul Grimwood ve své publikaci [3] rozdČluje volný rozvoj požáru do tĜí fází, pĜiþemž fáze
vznik a rozvoj požáru jsou sjednoceny do jedné, a to fáze pojmenované „rozvinutý požár“.
DČlení volného rozvoje požáru na tĜi fáze:
•
rozvinutý požár;
•
plnČ rozvinutý požár;
•
dohoĜívání.
DČlení do þtyĜ fází je podle mého názoru vhodnČjší. Pokud je rozdČlen jakýkoli dČj do více
fází, umožĖuje tak pĜesnČjší popis a tudíž je možné jej lépe pochopit.
Vznik požáru
Vznik požáru je popsán v oddíle 2.1.
Rozvoj požáru
Rozvoj požáru mĤžeme nazvat jako propagaci procesu hoĜení po fázi vzniku. Požár se rozvíjí,
pokud je v prostoru dostateþné množství oxidaþního prostĜedku a dochází k postupnému
zahĜívání hoĜlavých látek. ZahĜívání zpĤsobuje pyrolýzu, tedy tepelnou degradaci hoĜlavého
materiálu. UvolĖují se hoĜlavé plyny a páry, které umožĖují šíĜení plamene v prostoru.
Vlivem šíĜení plamene v prostoru, vyhoĜíváním hoĜlavých látek a sdílením tepla se mohou
zapálit také ostatní hoĜlavé látky pĜítomné v prostoru [5].
11
PlnČ rozvinutý požár
Tato fáze požáru je charakterizována okamžikem, kdy se požár rozšíĜí na vČtšinu prostoru
místnosti a všechny pĜítomné hoĜlavé materiály hoĜí. V této fázi shoĜí pĜibližnČ 80%
pĜítomného množství hoĜlavých látek [5].
DohoĜívání
Tato fáze požáru navazuje na 3. fázi, tj. fázi plnČ rozvinutého požáru. Je doprovázena
poklesem teploty z dĤvodu snižování intenzity hoĜení a pĜechodem plamenného hoĜení ve
žhnutí.
Fáze volného rozvoje požáru je možno v základu graficky znázornit (Obr. 3).
Obr. 3 - Volný rozvoj požáru
Každý požár je jiný, aĢ to jsou požáry na otevĜeném nebo uzavĜeném prostranství. Nikdy není
možné pĜedem pĜesnČ popsat, jak se požár bude pĜesnČ vyvíjet, a to pĜedevším na otevĜeném
prostranství. Na základČ poznatkĤ získaných z literatury [6] a [7], je možné popsat tyto
následující typizované scénáĜe požáru v uzavĜeném prostoru. Popisují je kĜivky rozvoje
požáru 1 – 6 (Obr. 4).
12
Obr. 4 - Teplotní kĜivky scénáĜĤ požáru [7]
1. Požár se nerozšíĜí na další hoĜlavý materiál. VyhoĜí pouze iniciované palivo.
2. Podobný scénáĜ mĤže rovnČž charakterizovat požár s nedostatkem oxidaþního
prostĜedku. HoĜení mĤže být velmi pomalé nebo pĜejít ve žhnutí a postupnČ uhasne.
3. Volný rozvoj požáru v uzavĜeném prostoru. Požár má dostateþnou ventilaci a
množství paliva. Následuje rozšíĜení požáru na veškerý hoĜlavý materiál ve fázi
Flashoveru.
4. Plamenné hoĜení mĤže být velmi pomalé nebo pĜejít ve žhnutí s tvorbou kouĜových
plynĤ obsahujících znaþný podíl nespálených hoĜlavých plynĤ. PĜi pĜivedení
oxidaþního prostĜedku dojde ke vzniku Backdraftu.
5. Plamenné hoĜení mĤže být velmi pomalé nebo pĜejít ve žhnutí. PĜi pĜivedení
oxidaþního prostĜedku dojde k novému rozhoĜení paliva s následným Flashoverem.
Požár má dostateþnou ventilaci a množství paliva. Následuje rozšíĜení na veškerý
hoĜlavý materiál v prostoru.
6. Pulsace nebo také dýchání požáru. Tento jev je charakteristický pro požár Ĝízený
ventilací. Pulsace vzniká v dĤsledku poklesu rychlosti uvolĖování tepla vlivem
omezeného množství kyslíku.
Jev Flashover mĤže nastat mezi druhou a tĜetí fází (Obr. 3, Obr. 4). Jev Backdraft nastává
tedy v prĤbČhu þtvrté fáze. Z výše uvedených obrázkĤ vyplývá, že tyto jevy nejsou na kĜivce
body, ale fáze. Je proto jednoduché vysvČtlení. Tyto jevy se vyvíjí, mají urþitý prĤbČh a trvají
urþitou dobu.
13
3. Flashover
Tato kapitola obsahuje základní poznatky o jevu Flashover dle literatury [11],[7],[5].
3.1 Definice Flashoveru
Literatura [11] uvádí: „Grimwood poznamenal, že britský požární vČdec Dr. Philip H.
Thomas poprvé pĜedstavil opravdovou vČdeckou diskuzi o termínu Flashover, pozdČji v 60.
letech 20. století.“
Thomasova originální definice:
„V prostoru požáru mĤže nastat stav, kde celková tepelná radiace z „požárního chocholu“
(angl. “fire plume“), horkých spalin v horní horké vrstvČ a zahĜátých obvodových konstrukcí,
zpĤsobí vznik hoĜlavých produktĤ pyrolýzy ze všech žáru vystavených hoĜlavých povrchĤ
uvnitĜ prostoru. Požární chochol je v publikaci [11] vyjádĜen jako oblast plamene, horkých
spalin a pyrolýzních produktĤ šíĜících se z místa probíhající chemické reakce hoĜení.
PĜítomnost iniciaþního zdroje, bude mít za následek náhlý a trvalý pĜechod rozvíjejícího se
požáru k plnČ rozvinutému požáru. To je takzvaný ‘Flashover‘.“
Samotný Thomas pĜipustil, že jeho pĤvodní definice byla nepĜesná. Zdroj [11] uvádí další
možné definice Flashoveru:
NFPA 101
Life Safety Code
3.3.79* Flashover.
„StupeĖ rozvoje požáru, ve kterém všechny vystavené povrchy dosáhnou teploty zapálení
pĜibližnČ stejnČ, a požár se rozšiĜuje rychle skrz prostor.“
NFPA 402
Guide for Aircraft Rescue and Fire Fighting Operations
1996 Edition
„Flashover. Všechny hoĜlavé pĜedmČty v místnosti nebo ohraniþeném prostoru jsou ohĜívány
do chvíle, kdy budou uvolĖovat páry podporující hoĜení a všechny hoĜlavé pĜedmČty se zapálí
souþasnČ.“
14
NFPA 555
Guide on Methods for Evaluating Potential for Room Flashover
2000 Edition
“1.4.2* Flashover. StupeĖ rozvoje požáru, ve kterém všechny požáru vystavené povrchy
dosáhnou teploty zapálení pĜibližnČ ve stejném okamžiku, a požár se rozšiĜuje rychle skrz
prostor.“
[ISO]
“… rychlý pĜechod do stavu, celkového zasažení všech povrchĤ hoĜlavých materiálĤ požárem
uvnitĜ ohraniþeného prostoru“ (1996).
3.2
Základní charakteristiky Flashoveru
Výše uvedené definice obsahují jednu nebo více charakteristik jevu Flashover [11]:
Flashover pĜedstavuje pĜechod v rozvoji požáru
Flashover není nespojitá událost, vyskytující se v jednom þasovém bodČ, ale je to pĜechod
mezi rozvinutým a plnČ rozvinutým požárem.
Rychlost
Aþkoli tato událost není okamžitá, Flashover nastane velmi rychle, bČhem vteĜiny dojde
k celkovému zasažení požárem uvnitĜ prostoru.
Ohraniþený prostor
Podmínkou je ohraniþený prostor (napĜ. jednotlivá místnost).
Všechny vystavené povrchy hoĜlavých látek se zapálí
Prakticky všechny hoĜlavé povrchy nacházející se ve spodní þásti prostoru, jsou vystaveny
záĜivému toku od horní horké vrstvy a toto zpĤsobí postupné prohĜátí a zapálení.
Požár rozšiĜující se skrz prostor
Rychlé zapálení hoĜlavých látek ve spodní vrstvČ zpĤsobí rozšíĜení požáru.
Plné zasažení místnosti
15
Následkem Flashoveru je zapálení veškerých hoĜlavých povrchĤ uvnitĜ prostoru, celý objem
prostoru je zasažen požárem a tento požár závisí na druhu, vlastnostech, množství a umístČní
paliva v prostoru.
Všechny tyto charakteristiky obsahuje nová definice Flashoveru obsažená v NFPA 921:
„PĜechodná fáze rozvoje požáru v prostoru, ve které povrchy vystavené tepelnému záĜení
dosáhnou teploty zapálení pĜibližnČ ve stejném okamžiku, a požár se rozšiĜuje rychle skrz
prostor, což má za následek úplné zasažení místnosti nebo celkové zasažení ohraniþeného
prostoru.“
3.3 Vznik jevu Flashover
Podmínky potĜebné k tomu, aby vznikl požár, jsou popsány v oddíle 2.1. PĜedstavme si požár
vzniklý v ohraniþeném prostoru, kde je dostatek paliva a kam vstupuje dostateþné množství
kyslíku. Jedná se tedy o požár Ĝízený palivem. Tepelná energie pĜed Flashoverem, je
pĜenášena primárnČ proudČním plynĤ. V tomto okamžiku je pĜenos tepla proudČním a sáláním
na ohraniþující konstrukce, podlahu a strop prostoru jen velmi malý. Protože se jedná témČĜ
vždy o nedokonalé hoĜení, uvolĖují se vlivem tepelného rozkladu hoĜlavé plyny, páry a
produkty hoĜení. Jakmile zaþne kouĜ díky své vysoké teplotČ a nízké hustotČ stoupat,
akumulovat se a rozšiĜovat pod stropem, zaþne se vytváĜet horní horká vrstva. Tato vrstva
kouĜe obsahuje zahĜáté plyny, pevné a kapalné þástice a aerosoly z pĤvodních hoĜlavých
látek, pĜiþemž požár Ĝízený palivem pĜechází v požár Ĝízený ventilací. Horní horká vrstva se
zaþíná snižovat, houstnout a teplota se zvyšuje. Tato vrstva zahĜívá ohraniþující konstrukce a
tepelnou degradací materiálu dochází k tvorbČ pyrolýzních produktĤ a spalin. Spodní þást této
houstnoucí horní vrstvy pĜedstavuje vodorovné rozhraní mezi dvČmi vrstvami (tzv. neutrální
rovina). Spodní vrstva je ochlazována vnikajícím okolním vzduchem (Obr. 5). Ve fázi
Flashoveru se pĜenos tepla proudČním snižuje a dominantní formou pĜenosu tepla je sálání
(Obr. 6) [11],[7].
16
Obr. 5 - Podmínky pĜed Flashoverem v ohraniþeném prostoru
Obr. 6 - PomČr pĜenosu tepla v jednotlivých fázích požáru
Tepelná energie je tedy vyzaĜována ze spodního rozhraní horní horké vrstvy, na povrchy
hoĜlavých látek rozmístČných ve spodní vrstvČ v prostoru. MĤže se jednat o hoĜlavé látky,
které jsou v bytových prostorech napĜ. domácí zaĜízení, obklady stČn, podlah a stropĤ. S
postupujícím þasem se požár rozvíjí, mČní se jeho parametry (rychlost hoĜení, plocha požáru,
teplota požáru a další). KromČ tČchto parametrĤ se zvČtšuje také rychlost uvolĖování tepla z
plamene a horní horké vrstvy. Tepelná energie stále hloubČji prohĜívá hoĜlavé látky, což
zpĤsobuje intenzivnČjší uvolĖování hoĜlavých plynĤ a par. Horní vrstva vertikálnČ klesá od
stropu k podlaze a vzdálenost mezi spodní þástí horní vrstvy a hoĜlavými povrchy ve spodní
vrstvČ se zmenšuje. ZáĜivý tok dopadající na nespálené pyrolýzní palivo a další hoĜlavé látky
17
pĜítomné ve spodní vrstvČ roste exponenciálnČ. Takto se požár rozvíjí až do témČĜ souþasného
probíhajícího zapálení hoĜlavých látek ve spodní vrstvČ, nastává Flashover [11],[7].
3.4 PrĤvodní znaky Flashoveru
PrĤvodní znaky (ukazatele) lze dle literatury [11] rozdČlit na technické a netechnické.
Technické ukazatele charakterizující jev Flashover:
•
PrĤmČrná teplota horní horké vrstvy (pohybuje se okolo 500 - 600 °C) [5];
•
ZáĜivý tok v úrovni podlahy (je minimálnČ 20 kW/m2) [7].
Jev Flashover doprovázejí další fyzikální jevy. Zprvu bývají nahlášeny oþitými svČdky a
následnČ se zkoumá jejich podstata a pĜíþina. Tyto jevy považujeme za netechnické ukazatele.
NejþastČji bývá nahlášeno praskání oken. Testy provedené v letech 1980 a 1990 ukázaly, že
pĜíþinou praskání okenních tabulí není pĜetlak, jak se pĤvodnČ myslelo, ale tepelné namáhání.
Destruktivní pĜetlak potĜebný k rozbití bČžných sklenČných tabulí používaných v
domácnostech se pohybuje v rozmezí 0,689 kPa - 3,447 kPa, pĜiþemž pĜetlak vyvinutý pĜi
Flashoveru je 0,014 kPa - 0,028 kPa. Teplotní diference potĜebná k destrukci sklenČné tabule
je 70 °C. Z tČchto hodnot je tedy patrné, že rozbití oken bývá zpĤsobeno pĜedevším prudkým
zvýšením teploty uvnitĜ prostoru [11].
18
4. Flashover kontejner
V souþasné dobČ jsou v ýR již tĜi tyto kontejnery pro výcvik pĜíslušníkĤ HZS ýR [12]:
•
Olomoucký kraj, Hamry;
•
Kraj Vysoþina, HavlíþkĤv Brod;
•
Jihomoravský kraj, OUPO Brno.
Následující popis bude zamČĜen na popis Flashover kontejneru v Hamrech.
Nejprve je tĜeba Ĝíct, co je Flashover kontejner a k þemu slouží. Flashover kontejner (trenažér)
je soubor prvkĤ sestavených do systému, který umožĖuje simulovat reálné podmínky pĜi
požáru v uzavĜeném prostoru. Trenažér je sestaven ze dvou bČžných ISO kontejnerĤ délky 12
m a 6 m, ve kterých mohou jednotky PO nacviþit taktiku a vedení zásahu pĜi požárech. Je
urþen pro:
•
výcvik a ovČĜení hasiþe efektivnČ a bezpeþnČ pracovat v pĜedem definovaných
podmínkách;
•
praktické ovČĜení závČrĤ teoretického zkoumání dynamických požárních jevĤ;
•
ovČĜení technických a taktických parametrĤ vČcných prostĜedkĤ požární ochrany a
taktických postupĤ.
Obr. 7 - Poloha Flashover kontejneru v Hamrech [13]
19
Flashover kontejner se nachází v areálu HZS ýR Olomouckého kraje, sklad Hamry, Hamry
107. GPS souĜadnice (zemČpisné souĜadnice) areálu skladu Hamry jsou: 49°28'3.215"N,
16°58'17.522"E. Sklad je vidČt na leteckém snímku (Obr. 7). ýervenČ ohraniþený je areál
skladu a zelenČ je vyznaþeno pĜibližné umístČní Flashover kontejneru. V tomto areálu je
taktéž skladováno pevné palivo, které se používá pro simulaci jevĤ [6].
4.1 Funkþní a dispoziþní þlenČní
Celý trenažér tvoĜí [6]:
•
TopeništČ;
•
Výcvikový prostor;
•
Backdraftová þást;
•
Soustava pro vstup a odvČtrání;
•
Soustava pro nouzové odvČtrání.
Obr. 8 - Flashover kontejner
Pro simulaci zapálení produktĤ pyrolýzy, Rolloveru a Flashoveru je používáno topeništČ a
výcvikový prostor. DvoukĜídlá vrata mezi Backdraftovou þástí a topeništČm jsou v tomto
pĜípadČ zavĜena. Manipuluje se s dvoukĜídlými vraty mezi výcvikovým prostorem a
topeništČm.
20
V pĜípadČ simulace jevu Backdraft jsou vrata mezi topeništČm a výcvikovým prostorem
uzavĜena a využívá se topeništČ a Backdraftová þást. Vrata mezi tČmito prostory jsou pĜi
simulaci jevu otevĜena.
4.2 Technický popis trenažéru
Trenažér je tvoĜen dvČma kontejnery. Jedná se o upravené ocelové kontejnery ISO Ĝady 1 A,
používané pro námoĜní, silniþní a železniþní pĜepravu. RozmČry kontejnerĤ jsou 2500 x 2500
x 12000 mm a 2500 x 2500 x 6000 mm. Tyto dva kontejnery jsou spojeny do tvaru L.
Šestimetrový kontejner je osazen na betonových deskách a vyvýšen nad úrovní terénu (Obr.
8) [15].
4.2.1 ZajištČní tepelné izolace obvodových konstrukcí
TopeništČ
StČny v prostoru topeništČ jsou vzhledem k navození podmínek reálného požáru v uzavĜeném
prostoru a k minimalizaci tepelných ztrát sdílením tepla provedeny v sendviþové konstrukci
stČn: vnČjší plech, izolace z minerální vlny, vyzdívka z pórobetonu a vnitĜní plech. Sendviþ je
umístČn v rámu a jištČn proti posunu vzniklém pĤsobením tepla navaĜenými železnými
kotvami procházejícími všemi vrstvami.
Dostateþnou tepelnou izolaci stropu topeništČ zajišĢuje sendviþová konstrukce: trapézový
plech, minerální vlna, cementovláknité desky, vlastní plášĢ trenažéru [30],[15],[6].
Backdraftová þást a výcvikový prostor
StČny a strop v Backdraftové þásti a výcvikovém prostoru jsou tvoĜeny trapézovým plechem.
VnitĜní krytí pórobetonové vyzdívky ve stČnČ s vraty oddČlujícími výcvikový prostor a
topeništČ je zþásti pokryto také trapézovým plechem, který zĤstal po vytvoĜení otvoru mezi
výcvikovým prostorem a topeništČm. DvoukĜídlá vrata mezi topeništČm a Backdraftovou þástí
jsou také pokryta trapézovým plechem.
Konstrukcemi stČn a stropĤ v topeništi, výcvikovém prostoru a Backdraftové þásti prochází
kotevní prvky, které slouží k uchycení trapézového plechu [30],[15],[6].
21
4.2.2 Nosné konstrukce a podlaha
Veškeré nosné konstrukce zajišĢuje stávající nosný systém kontejneru. PĤvodní dĜevČná
nášlapná vrstva podlahy kontejnerĤ je ponechána. Na této podlaze jsou v prostoru topeništČ a
Backdraftové þásti uloženy plynosilikátové tvarovky Ytong tloušĢky 80 mm. Tvarovky jsou
vyspárovány na sucho pískem. Od hrany topeništČ smČrem do výcvikového prostoru je
podlaha pokryta zámkovou betonovou dlažbou tloušĢky 50 mm (Obr. 9) [6],[30].
Obr. 9 - Pohled z výcvikového prostoru na topeništČ
4.2.3 UzávČry otvorĤ a odvČtrání
Ve výcvikovém prostoru jsou zĜízeny tĜi postranní dveĜní otvory. Dva z nich jsou vidČt níže
na Obr. 10 a tĜetí dveĜe jsou souþástí protČjší stČny. Jedná se o železné dveĜe umístČné v
železných zárubních. RozmČry dveĜí jsou 1900 x 1000 mm. PĤvodní zadní kontejnerová vrata
jsou ponechána a byl v nich stejnČ jako v železných dveĜích vyĜíznut otvor pro hadicové
vedení. Rozhraní výcvikového prostoru a topeništČ je opatĜeno dvoukĜídlými železnými
izolovanými vraty o rozmČrech 1830 x 1920 mm.
Šestimetrový kontejner je rozdČlen pĤvodnČ vstupními vraty do kontejneru na Backdraftovou
þást a topeništČ. Místo vrat byla instalována stČna se dvČma nad sebou umístČnými
nezávislými otvory o rozmČrech 1000 x 940 a 1000 x 1010 mm (Obr. 11). Vrata mezi
Backdraftovým i výcvikovým prostorem jsou izolována minerální vlnou o tloušĢce 40 mm.
Dvojice otvorĤ ústících z Backdraftového prostoru je izolována minerální vlnou o tloušĢce 30
mm.
22
Obr. 10 - ýást výcvikového prostoru se železnými
Obr. 11 - Otvory v Backdraftové þásti [6]
dveĜmi
Výcvikový prostor je ve smČru od topeništČ na protČjší stranČ prvních dveĜí osazen oknem o
rozmČrech 930 x 730 mm umístČným ve výšce 1210 mm nad podlahou.
OdvČtrací systém umožĖuje nezávislé ovládání dvou klapek ve stropu kontejneru zevnitĜ i
zvenku pomocí soustavy táhel. Plechová klapka uzavírá odvČtrací otvor o rozmČrech 500 x
500 mm [6].
4.2.4 Speciální zaĜízení
Ve výcvikovém prostoru se mĤže variabilnČ umísĢovat na navaĜená železná oka kouĜová
zástČna (Obr. 12). KouĜová zástČna je schopna urþit výšku horní horké vrstvy kuĜe. Je
pĜibližnČ 600 mm vysoká [6].
Obr. 12 - ZástČna v horní þásti výcvikového prostoru [6]
23
5. Backdraft
Jev Flashover je v souþasné dobČ probádán daleko více než Backdraft. PĜesto existuje mnoho
studií, které napomáhají lepšímu pochopení teoretické povahy Backdraftu. Tým Fleischmann
a Pagni z Kalifornské university, mČsto Berkeley, byl první, který položil teoretické základy a
následnČ provádČl praktickou simulaci tohoto jevu. Na základČ provedené rešerše je v tomto
oddíle popsán jev Backdraft, jeho definice, vznik, prĤbČh a projevy [11].
5.1 Definice jevu Backdraft
Definice Backdraftu jsou citované ze zdroje [11].
Steward 1914:
„Tyto ‘exploze kouĜe’ mnohdy nastávají v hoĜících stavbách a obvykle se nazývají ‘back
draughts’ (zpČtné tahy) nebo ‘hot air explosions’ (horké exploze vzduchu). Požár ve spodní
þásti stavby vyplní celou stavbu hustým kouĜem, dĜíve než je vidČt vycházející kouĜ ze štČrbin
okolo oken. PĜi pĜíjezdu hasiþĤ jsou udČlány otvory do stavby, které umožní pĜisávání
þerstvého vzduchu. SmČs vzduchu a pyrolýzních produktĤ je bleskovČ zapálena na všech
podlažích, nČkdy s dostateþnou silou k vyražení všech oken a dveĜí ze zavĜených místností a
prostor, kam pronikl kouĜ.
Instituce požárního inženýrství (IFE) definuje Backdraft jako:
„Exploze vČtšího nebo menšího stupnČ, zpĤsobená pĜívalem þerstvého vzduchu z místa
vzniku požáru nebo prostoru v hoĜícím stavení, kde probíhalo hoĜení za nedostatku vzduchu.“
NFPA definice:
„Deflagrace vyvolaná náhlým pĜivedením vzduchu do uzavĜeného prostoru, ve kterém je
nedostatek kyslíku a produkty nedokonalého spalování.“
Fleischmann, C. a Pagni, P. definují Backdraft jako:
„Pokud je prostor uzavĜený, nahromadí se pĜebytek pyrolýzních produktĤ, které jsou stále
schopny hoĜení, a náhle dojde k otevĜení otvoru (napĜ. rozbitím okna vlivem tepelného
pĤsobení od požáru nebo pĜi vstupu hasiþe do prostoru), pak vnese hustotní proud
(angl.“gravity current”) þerstvý vzduch do prostoru. Tento vzduch se mísí s nadbytkem
24
pyrolýzních plynĤ až do vytvoĜení hoĜlavého souboru, který mĤže být dále zapálen celou
Ĝadou zpĤsobĤ.“
Enclosure Fire Dynamics – Quintiere a Karlsson
„Omezená ventilace bČhem požáru v uzavĜeném prostoru mĤže vést k produkci velkého
množství nespálených plynĤ. Když dojde k náhlému otevĜení, vnikající vzduch se mĤže
smíchat s tČmito nespálenými plyny a v pĜíslušné þásti uzavĜeného prostoru se vytvoĜí hoĜlavá
smČs plynĤ. Jakýkoli iniciaþní zdroj, napĜ. žhavý popel, mĤže zapálit tento hoĜlavý soubor,
což má za následek extrémnČ rychlé hoĜení plynĤ vytlaþovaných ven z otvoru a následnČ
vytvoĜení ohnivé koule (angl.“fireball”) vnČ uzavĜeného prostoru.“
5.2 Základní charakteristiky Backdraftu
Charakteristiky, které obsahují výše zmínČné definice [11]:
Ventilací Ĝízený požár
HoĜení nemĤže probíhat bez adekvátního množství kyslíku. Tento kyslík je obsažen v
atmosférickém vzduchu. Pokud nemá uzavĜený prostor dostateþnou ventilaci, pĜejde požár do
IV. fáze (viz oddíl 2.3).
Nespálené pyrolýzní produkty
Nedokonalé spalování pevného paliva zpĤsobuje tvorbu nespálených pyrolýzních produktĤ,
které se v prostoru hromadí.
UzavĜený prostor nebo zasažený prostor požárem
Musí být uzavĜený prostor nebo úsek, napĜíklad jednotlivá místnost.
Náhlý pĜívod vzduchu/kyslíku
Náhlé otevĜení otvoru do prostoru umožní þerstvému vzduchu vniknout do prostoru.
Prudké hoĜení pyrolýzních produktĤ
Zapálí se nahromadČné pyrolýzní produkty a þelo plamene zaþne postupovat prostorem.
25
Požár se šíĜí ven z uzavĜeného prostoru
ýelo plamene se šíĜí ven z uzavĜeného prostoru pĜes otevĜený otvor a vzniká ohnivá koule
(angl. „fireball“) a tlaková vlna.
Definice, která nejvíce vystihuje jev Backdraft a zahrnuje výše uvedené charakteristiky, je
pĜevzata z definic obsažených ve studiích od Quintiere a Pagni/Fleishmann a mírnČ
pozmČnČna:
Nedostateþná ventilace bČhem požáru v uzavĜeném prostoru mĤže vést k tvorbČ velkého
množství nespálených pyrolýzních produktĤ. Když dojde k náhlému otevĜení otvoru, pĜítok
þerstvého vzduchu vytváĜí hustotní proud a nespálené pyrolýzní produkty se zaþnou míchat.
VytvoĜí se hoĜlavá smČs plynĤ v nČkteré þásti uzavĜeného prostoru. Iniciaþní zdroj, napĜ.
žhavý popel, mĤže zapálit hoĜlavou smČs. ExtrémnČ prudké hoĜení plynĤ má za následek
vytlaþování pyrolýzních produktĤ vzniklých pĜi procesu hoĜení skrz otvor a vzniká tzv.
fireball vnČ uzavĜeného prostoru [11].
5.3 Vznik jevu Backdraft
Pro vznik jevu Backdraft je podmínkou požár v uzavĜeném prostoru, kde ventilace je
umožnČna pouze skrze netČsnosti v ohraniþující konstrukci. Vlivem uvolĖovaného tepla pĜi
požáru dochází k zahĜívání hoĜlavých látek umístČných v prostoru. UvolnČné produkty hoĜení
a pyrolýzní produkty stoupají vzhĤru a vytváĜí tak horní horkou vrstvu. Množství kyslíku v
uzavĜeném prostoru je omezeno. Požár Ĝízený pĤvodnČ palivem pĜechází v požár Ĝízený
ventilací. Horní horká vrstva vertikálnČ klesá a houstne. Sálavé teplo vyzaĜované z této vrstvy
a plamene zpĤsobuje intenzivnČjší pyrolýzu hoĜlavých materiálĤ. Tyto produkty zĤstávají
nespálené, hromadí se a vytváĜí tak horní horkou vrstvu bohatou na palivo. Intenzita
plamenného hoĜení se snižuje a spotĜebovává se dostupný kyslík obsažený v atmosférickém
vzduchu. Teplota v prostoru se také snižuje a požár pĜechází do fáze dohoĜívání kvĤli
nedostatku kyslíku. V této fázi plamenné hoĜení pĜechází ve žhnutí. V prostoru je v dané
chvíli nedostatek kyslíku a velké množství hoĜlavých plynĤ. Teplota v prostoru se snížila, ale
je podstatnČ vyšší než okolní teplota. Náhlým otevĜením nebo vytvoĜením otvoru
v ohraniþující kontrukci je umožnČn pĜístup kyslíku do prostoru a horké plyny z vnitĜního
prostoru vytékají ven horní þástí tohoto otvoru. SouþasnČ chladný þerstvý vzduch proudí
spodní þásti otvoru dovnitĜ. Propagace þela tohoto chladného, hustotou pohánČného proudu,
26
se nazývá hustotní proud. Mísící se vrstva je vytváĜena na rozhraní mezi vtokem a výtokem, a
prostorem je pĜenášena hustotním proudem. Tato mísící se vrstva vytváĜí hoĜlavý soubor
(smČs vzduchu a pyrolýzních produktĤ) a po dosažení oblasti plamene nebo žhnoucích
pevných þástic dojde k iniciaci (zapálení). Po zapálení se þelo plamene šíĜí zpČt k otvoru
právČ výše zmínČnou pĜedmíchanou vrstvou. VytvoĜený turbulentní plamen se rychle šíĜí
prostorem. Turbulentní deflagrace uvnitĜ prostoru vytlaþuje zbylé nespálené palivo a
pyrolýzní produkty ven z otvoru. Pyrolýzní produkty a nespálené palivo hoĜí vnČ prostoru a
vzniká fireball [16],[18]. PrĤbČh jevu Backdraft je velice dobĜe znázornČn na následujícím
obrázku (Obr. 13).
Obr. 13 - Typický scénáĜ vzniku Backdraftu [7]
Vznik jevu fireball zobrazují další série snímkĤ (Obr. 14, Obr. 15), které velice dobĜe
vystihují projev „turbulentní deflagrace“ (angl. “turbulent deflagration“) uvnitĜ prostoru,
vytlaþování nespáleného paliva a následný vznik jevu Backdraft.
27
Obr. 14 – Fireball [22]
Obr. 15 - PrĤbČh vzniku fireballu [23]
5.4 Hustotní proud
Vznik Backdraftu významnČ ovlivĖuje výmČna plynĤ mezi vnČjším a vnitĜním prostorem,
která úzce souvisí s teplotou, a tudíž i hustotou. K porozumČní jevu Backdraft je potĜeba
nejprve pochopit problematiku tzv. „hustotních proudĤ“ (angl. “gravity currents“).
V pĜípadČ výše uvedeného scénáĜe vzniku Backdraftu se neutrální rovina v každém okamžiku
mČní a dČlí uzavĜený prostor na dvČ þásti. S rostoucí teplotou plynĤ klesá hustota a zvyšuje se
tlak. V horní þásti je teplota a tlak vyšší než ve spodní þásti prostoru, ale hustota je v horní
28
þásti nižší (ρ1). Tyto fyzikální parametry (hustota, teplota, tlak) se vzájemnČ ovlivĖují a
ovlivĖují též výmČnu plynĤ pĜi požáru.
Hustotní proud je proud (proudČní) vznikající v dĤsledku rozdílných hustot dvou médií, které
se vzájemnČ v prostoru konfrontují. V daném pĜípadČ jevu Backdraft se jedná o situaci, kdy
dojde k otevĜení nebo vytvoĜení otvoru, hustotní proud média s vyšší hustotou (ρ0) vstupuje
do prostoru. Hustý a chladnČjší okolní vzduch vtéká spodní þástí otvoru dovnitĜ, zatímco
horké plyny proudí horní þástí otvoru z prostoru ven. Hustotní proud je složen z „þela“,
„víĜivých struktur“ na rozhraní a z „vlastního proudu“ (Obr. 16).
Obr. 16 - Hustotní proud [16]
Celý tento profil proudu þerstvého vzduchu je složen z jednotlivých vrstev, jejichž rychlost
proudČní je rozdílná (napĜ. krajní vrstvy proudu mají nejmenší rychlost). Na obrázku je vidČt,
že spodní hrana þela proudu je mírnČ zvýšená ve výšce hn. Zaoblené þelo hustotního proudu
(Obr. 16) vzniká v dĤsledku tĜení nejnižších vrstev tohoto proudu o drsnosti na podlaze
(teorie mezní vrstvy dle [25]) a též v dĤsledku tĜení horních vrstev o vrstvy teplejšího proud
s menší hustotou (ρ1) vytékající z prostoru ven, tj. proudící opaþným smČrem (vznik
turbulentních struktur na rozhraní proudĤ). V oblasti rozhraní vytvoĜené tímto proudČním se
vytváĜí výbušná koncentrace smČsi vzduchu a horkých hoĜlavých pyrolýzních produktĤ.
Hustotní proud nese tuto smČs o výbušné koncentraci k iniciaþnímu zdroji, tj. zdroji zapálení.
Po kontaktu s iniciaþním zdrojem dojde k zapálení smČsi a nastává Backdraft [16],[17].
5.5 PrĤvodní znaky Backdraftu
Backdraft je velice nebezpeþný jev a je tĜeba pozornČ sledovat jeho prĤvodní znaky pĜi zásahu
[11],[14],[18]:
•
Pulsace požáru (okna a dveĜe jsou zavĜené, ale kouĜ uniká netČsnostmi vlivem
vysokého tlaku, poté dochází k nasávání vzduchu do stavby);
29
•
V pĜípadČ otevĜení otvoru lze pozorovat charakteristické odvalování kouĜe;
•
Žádné viditelné plameny v místnosti;
•
Horké dveĜe a okna;
•
Je slyšet pískání kolem dveĜí a oken (když bude požár v uzavĜeném prostoru probíhat
dlouhou dobu, nahromadí se v prostoru velké množství nespálených plynĤ);
•
Skelné okenní tabule jsou zabarveny, zaþernČny a mohou pĤsobením tepla prasknout.
Klíþovým znakem, který byl zpozorován nČkolika svČdky v minulosti, je pohyb kouĜe
dovnitĜ a ven. Je to znamení, že požár ve stavbČ tzv. ‘dýchá’.
5.6 Porovnání jevu Backdraft a Flashover
Tyto nelineární jevy jsou þasto zamČĖovány a pro jejich informace k jejich pochopení jsou
uvedeny v tomto oddílu formou definování základních rozdílĤ.
ýetnost výskytĤ jevu Backdraft je velmi malá ve srovnání s Flashoverem. Backdraft vzniká
zĜídka a to umocĖuje ještČ více jeho nebezpeþnost a efekt pĜekvapení pro zasahující hasiþe.
Zásadní rozdíl je v tlakových pomČrech doprovázejících oba jevy. NárĤst tlaku pĜi Flashoveru
je nepatrný ve srovnání s tlakem vyvinutým pĜi Backdraftu. Tato tlaková vlna mĤže rozbít
výplnČ oken a ohrozit i celé ménČ stabilní stavební konstrukce. PĜíþina vzniku tČchto jevĤ je
dalším rozlišovacím znakem. Flashover nastává v prostoru, kde je pĜítomna hoĜlavá látka,
oxidaþní prostĜedek a kde hoĜlavé povrchy dosáhly teploty vznícení. Backdraft nastává v
uzavĜeném prostoru, kde je pĜítomna hoĜlavá látka s dostateþnou tepelnou energií k hoĜení a
náhle je do prostoru pĜiveden oxidaþní prostĜedek.
Poslední významný rozdíl mezi Backdraftem a Flashoverem je jejich umístČní v þasovém
schématu rozvoji požáru, kdy tyto jevy nastanou. Pokud je prĤbČh požáru rozdČlen na tĜi
þasové úseky (dle oddílu 2.4), pak Flashover nastává mezi první a druhou fází a pĜedstavuje
pĜechod od „rozvoje požáru“ k „plnČ rozvinutému požáru“. Vznik Backdraftu je možný jak ve
tĜetí fázi, tak i v první fázi rozvoje požáru [19],[5].
30
6. Možné pĜístupy k simulaci jevu Backdraft
Na úvod je tĜeba zmínit základní informace o modelování, protože simulace jevu Backdraft je
vlastnČ modelování tohoto jevu.
Modelování je þinnost vedoucí k napodobení urþité þásti reality, která je pro Ĝešitele
smČrodatná. Model je produkt této þinnosti, tedy napodobenina vytýþené þásti reality, která
má se svou pĜedlohou urþité spektrum spoleþných vlastností, dle zájmu Ĝešitele. Je žádoucí,
aby oblast spoleþných vlastností vyznaþená tmavČ šedou barvou byla co možná nejvČtší, tedy
aby se model co nejvíce blížil realitČ (Obr. 17), [25].
Obr. 17 - Schéma model versus realita [25]
Modelování lze rozdČlit následovnČ (Obr. 18).
Obr. 18 - Schéma základního rozdČlení modelovacích pĜístupĤ [25]
Fyzikální modelování je založeno na podobnosti mezi dvČma reálnými systémy, z nichž
jeden pĜedstavuje skuteþnost a druhý její reprodukovaný obraz, tedy model. Jako fyzikální
modelování lze považovat simulaci jevu Backdraft v reálném zaĜízení, napĜ. ve Flashover
kontejneru [25].
Matematické modelování je založeno na podobnosti mezi systémem reálným a abstraktním.
Jde o zkoumání reálných systémĤ za pomocí systémĤ abstraktních, které jsou definovány
matematickými vztahy a konstantami vyjadĜujícími fyzikální stav soustavy nebo dČje v ní
31
probíhajícího. Jako pĜíklad lze uvést modelování fyzikálních dČjĤ za pomocí poþítaþových
softwarĤ [25].
Nejprve by mČla být provedena Ĝada fyzikálních experimentĤ vedoucích k získání
dostateþného množství vstupních dat pro matematický model a návaznČ by pak mČlo
následovat matematické modelování dané úlohy. Porovnáním výsledkĤ z fyzikálních
experimentĤ a matematického modelování lze získat škálu dalších hlubších informací o
daném jevu.
6.1 Fyzikální experimenty provedené v minulosti
V minulosti bylo provádČno mnoho experimentĤ jevu Backdraft. C. M. Fleischmann provedl
Ĝadu experimentĤ, které vytvoĜily základ pro další zkoumání jevu. NapĜíklad práce „První
experimenty Backdraftu“ (angl. “Initial Backdraft Experiments“) od autora jménem D.
Gojkovic se nechala Fleischmannovou prací inspirovat [21],[16].
6.1.1 ZaĜízení používané Fleischmannem
Fleischmann používal k experimentĤm speciální komoru o rozmČrech 1,2 x 1,2 x 2,4 m.
Nosnou konstrukci tvoĜily ocelové sloupky a vlastní opláštČní pozinkované plechy. Jednu
stČnu komory tvoĜil tzv. „panel snižování tlaku“ (angl. “pressure relief panel“). Sloužil jako
pojistný prvek (odklopením) pro odlehþení pĜetlaku pĜi vzniku Backdraftu. Strop, stČny a
podlaha, kromČ panelu snižování tlaku, byly tepelnČ izolovány sádrokartonovou deskou o
pĜedepsané požární odolnosti. Do stČny naproti tlakovému panelu bylo instalováno okno s
výplní Neoceram. Nad plynovým hoĜákem byl umístČn zdroj pro zapálení hoĜlavé smČsi v
podobČ jiskĜící elektrody. Otvor pro pĜísun þerstvého vzduchu o rozmČrech 1,2 x 0,4 m byl
situován ve stČnČ naproti hoĜáku. PĜi experimentech bylo zajištČno Ĝízené prosakování a to
dvČma otvory o výšce 25 mm a šíĜce 0,3 m ve stČnČ naproti hoĜáku, v úrovni stropu a podlahy
[16].
PĜi experimentech Fleischmanna byly mČĜeny tyto veliþiny:
•
Teplota;
•
Tlak;
•
Koncentrace plynĤ.
32
K mČĜení teploty byla použita síĢ termoþlánkĤ umístČná v geometrickém stĜedu prostoru.
Jednalo se o sedm termoþlánkĤ umístČných v 0,15 m širokých odstupech a jeden pĜídavný
termoþlánek pro mČĜení teploty horní horké vrstvy byl umístČn 50 mm pod úrovní stropu.
NárĤst statického pĜetlaku v prostoru zaznamenával elektronický snímaþ s rozsahem od 0 do
1250 Pa. Snímaþ byl umístČn ve stacionární stČnČ naproti panelu snižování tlaku v úrovni
podlahy. Dále byly mČĜeny koncentrace kyslíku (O2), oxidu uhelnatého (CO), oxidu
uhliþitého (CO2) a uhlovodíkĤ (HC). Vzorky byly odebrané z nerezových ocelových sond.
Tyto sondy byly situovány v prostoru 0,2 m pod stropem a 0,6 m od otvoru ve stČnČ a boþních
stČn. Jako palivo byl použit pĜi nČkterých experimentech zemní plyn a v dalších pak propan.
Tato paliva byla použita v sérii 23 experimentĤ, jak popisuje první þást disertaþní práce [16].
Literatura [20] popisuje sérii 17 experimentĤ, kde byl použit methan. V obou pĜípadech (viz
[16] a [20]) byl jev Backdraft simulován ve speciální komoĜe (Obr. 19).
Obr. 19 - Schéma speciální komory pro Backdraft [16]
6.1.2 ZaĜízení používané Gojkovicem
PĜi experimentech Gojovice byl již používán pĜímo Backdraft kontejner (Obr. 20). Jednalo se
o lodní kontejner o rozmČrech 5,5 x 2,2 x 2,2 m. Z dĤvodu tepelné izolace byly sendviþové
konstrukce kontejneru izolovány skelno-vláknitou izolací. Podlaha byla pokryta betonem.
Jedna stČna kontejneru sloužila jako panel snižování tlaku pĜi vzniku Backdraftu podobnČ
jako u Fleischmannovy speciální komory. Pro lepší pozorování bylo v kontejneru zabudováno
okno. SklenČná výplĖ mČla požadovanou požární odolnost a byla odolná i vĤþi tlakovým
zmČnám [21].
33
Obr. 20 - Backdraft kontejner [21]
Pro pĜívod vzduchu do kontejneru byl vytvoĜen otvor o rozmČrech 1,2 x 0,8 m ve stĜední þásti
stČny kontejneru. Dále D. Gojkovic uvádí, že tato geometrie byla zvolena proto, že se takto
vytvoĜí více proudĤ (turbulentních víĜivých struktur), než pĜi simulaci otevĜení dveĜí nebo
okna. Tato specifická geometrie také mČla ulehþit modelování experimentĤ pomocí CFD
kódĤ. V kontejneru byl umístČn také hoĜák s elektrickým zapalovaþem. Pro zapálení smČsi se
používal elektricky zahĜívaný vertikálnČ orientovaný kovový drát o délce 1 m. StĜecha
kontejneru mČla pouze funkci ochrany pĜed deštČm.
PĜi experimentech Gojkovice byly mČĜeny tyto fyzikální veliþiny:
•
Teplota;
•
Tlak;
•
Koncentrace plynĤ.
K mČĜení teploty byly použity dvČ sítČ termoþlánkĤ (Obr. 20). Každá z tČchto sítí mČla 5
termoþlánkĤ vzdálených od sebe vertikálnČ 40 cm, pĜiþemž nejvýše umístČný byl ve
vzdálenosti 20 cm od stropu. ZmČna dynamického tlaku byla zaznamenávána tĜemi
obousmČrnými Pitotovými trubicemi umístČnými v otvoru pro pĜísun vzduchu rozmČrech 1,2
x 0,8 m. PĜi experimentech se mČĜila taktéž teplota vnikajícího þerstvého vzduchu
termoþlánky dodateþnČ umístČnými na každé PitotovČ trubici. NárĤst statického tlaku v
kontejneru byl snímán senzorem tlaku. Koncentrace kyslíku, oxidu uhliþitého a methanu byla
mČĜena pomocí pĜístroje Dräger Multiwarn II. Jako palivo pĜi experimentech se používal
zemní plyn [21].
34
6.1.3 Postup pĜi experimentech
PĜi experimentech se používalo plynné palivo. Hlavním dĤvodem byla možnost snadnČjší
regulace množství plynu pĜivádČného do uzavĜeného prostoru. Postup u Flesichmanna a
Gojkovice byl principiálnČ shodný. Plyn vytékající z hoĜáku byl zapálen elektrickou jiskrou,
po þemž následovalo uzavĜení otvoru pro pĜívod vzduchu poklopem. Plameny šlehající z
plynového hoĜáku simulovaly požár v uzavĜeném prostoru a spotĜebovávaly tak dostupný
kyslík v daném uzavĜeném prostoru kontejneru. Plameny postupem þasu uhasly kvĤli
nedostatku kyslíku. Plyn však dále vtékal do prostoru, a to až do okamžiku vytvoĜení potĜebné
koncentrace ke vzniku Backdraftu. Pak byl uzavĜen pĜívod plynu do prostoru a otevĜel se
otvor pro pĜísun vzduchu. Proud þerstvého vzduchu vnikajícího do prostoru unášel smČs
hoĜlavých plynu (pĤvodního paliva), vzduchu, pyrolýzních produktĤ a spalin ke zdroji
zapálení. Zapálením této smČsi nastal Backdraft, avšak ne vždy, ale pouze pĜi nČkterých
experimentech.
Fleischmann ve své práci [16] uvádí 23 experimentĤ, z þehož pĜi experimentech þ. 1 - 8 byl
jako palivo použit zemní plyn a Backdraft nastal. PĜi použití propanu jako paliva Backdraft
nenastal ani v jednom pĜípadČ.
DĤvodem pravdČpodobnČ bylo, že hustota propanu byla pĜibližnČ stejná jako hustota ostatních
plynĤ v prostoru a tak došlo k nahromadČní propanu spíše ve spodní þásti prostoru, nikoliv
v horní þásti, jak by bylo k Backdraftu potĜeba. Palivo bylo tedy blízko podlahy a u malého
otvoru umožĖujícího prosakování plál malý plamínek. PĜi otevĜení otvoru se smČs propanu a
vzduchu rozhoĜela a plameny tmavČ oranžové a žluté barvy se pomalu rozšiĜovaly.
Experimenty v práci [20] byly provádČny obdobným zpĤsobem. Jednalo se o 17 experimentĤ,
kde palivem byl methan.
Gojkovic ve své práci [21] uvádí 13 experimentĤ. Ve všech experimentech byl použit jako
palivo zemní plyn. Backdraft nastal ze 13 pokusĤ v 8 pĜípadech [16],[20],[21].
6.1.4 Výsledky experimentĤ
Grafy, které jsou v této kapitole prezentovány, se týkají pouze experimentĤ, kde se uskuteþnil
Backdraft. Jedná se o série 23 a 17 experimentĤ v pracích Fleischmanna [16],[20] v porovnání
35
se sérií 13 experimentĤ z práce D. Gojkovice [21]. Uvedené grafy pochází z tČchto rĤzných
experimentĤ.
Teplota
Obr. 21 – Typický graf teploty v pĜípadČ vzniku jevu Backdraft [21]
Gojkovic ve své práci [21] uvádí grafy srovnávající namČĜené hodnoty teplot na
termoþláncích ve stejné výškové úrovni z 1. a 2. sítČ termoþlánkĤ. Rozdíl namČĜených teplot
je velmi malý. Proto není nutné prezentovat tyto grafy. Je ovšem tĜeba uvést prĤbČh teplot
pČti termoþlánkĤ 2. sítČ pĜi vzniku Backdraftu (Obr. 21).
36
Obr. 22 - Záznam teploty z experimentu þ. 4 [16]
Graf, který uvádí Fleischmann v jeho práci [16] pĜedstavuje záznam teplot pČti termoþlánkĤ
umístČných v rĤzných výškových úrovních (Obr. 22).
Tyto grafy jsou uvedeny zámČrnČ pro názornou ukázku tvaru teplotní kĜivky pĜi jevu
Backdraft. Po zapálení plynu z hoĜáku teplota v uzavĜeném prostoru stoupala, požár postupnČ
pĜecházel do fáze plnČ rozvinutého požáru. V této fázi, jak je vidČt na grafech, teplota
dosahovala lokálního maxima. Nastala þtvrtá fáze požáru, kdy se plameny postupnČ
zmenšovaly, až postupnČ uhasly kvĤli nedostatku kyslíku. Teplota se s postupujícím þasem
postupnČ snižovala. PĜíþina zmČny trendu teplotní kĜivky mezi 120 a 180 s (Obr. 22) byla
zpĤsobena zpozorovanými „plápolajícími plameny“ (angl. “dancing flames“) ve spodní þásti
prostoru. Náhlé otevĜení otvoru umožnilo pĜístup chladného vzduchu do prostoru. Teplota
klesala ve spodní þásti prostoru daleko rychleji. Hustotní proud nesl smČs plynu, þerstvého
vzduchu, pyrolýzních produktĤ a spalin k iniciaþnímu zdroji. Zapálení smČsi a šíĜení þela
turbulentní deflagrace prostorem je na grafech znázornČno prudkým nárĤstem teploty a
dosažením globálního maxima [16],[21].
37
Koncentrace plynĤ
Obr. 23 - Koncentrace plynĤ [20]
Koncentrace plynĤ od Fleischmanna (Obr. 23) nesouvisí s grafem prĤbČhu teplot (Obr. 22) z
jeho práce. Graf závislosti koncentrace plynĤ na þase (Obr. 24) je zde uveden pouze pro
vytvoĜení pĜedstavy o prĤbČhu výmČny plynĤ pĜi provádČných experimentech.
Obr. 24 - Koncentrace plynĤ s vysvČtlivkami [21]
KĜivky CO2 a O2 v grafech (Obr. 23, Obr. 24) mají podobný prĤbČh. Jednotlivé kĜivky
koncentrací plynĤ (Obr. 24) namČĜené pĜístrojem Dräger Multiwarn II jsou popsány:
38
1.
BČhem této fáze experimentu se v dĤsledku spalování koncentrace kyslíku snižovala a
koncentrace oxidu uhliþitého zvyšovala. Tento trend se udržel, dokud koncentrace
kyslíku v prostoru podporovala plamenné hoĜení. NáslednČ plamenné hoĜení ustalo a
oxid uhliþitý již nebyl produkován kvĤli nedostatku kyslíku. V pĜípadČ použití
pevného paliva by plamenné hoĜení pĜešlo ve žhnutí a oxid uhliþitý by se i nadále
vytváĜel.
2.
BČhem druhé fáze experimentu, kdy byl zemní plyn vhánČn do kontejneru, se
koncentrace oxidu uhliþitého snižovala, což bylo zpĤsobeno ĜedČním se zemním
plynem. ZároveĖ se zvyšovala koncentrace kyslíku pĜísunem þerstvého vzduchu do
kontejneru vlivem prosakování skrze netČsnosti.
3.
Náhlým otevĜením otvoru se hladina kyslíku rychle zvýšila vniknutím þerstvého
vzduchu do prostoru. Koncentrace oxidu uhliþitého se pak v dĤsledku toho snížila.
4.
Jakmile iniciaþní zdroj zapálil hoĜlavou smČs nastala prudká turbulentní deflagrace,
která vyvrcholila v Backdraft. Tento jev je charakterizován prudkým nárĤstem
koncentrace oxidu uhliþitého a rapidním snížením koncentrace kyslíku.
5.
Po ukonþení Backdraftu se koncentrace plynĤ obnovila na pĤvodní hodnoty [20],[21].
Tlak
Obr. 25 - PrĤbČh tlaku v závislosti na hmotnosti pĜitékajícího vzduchu [20]
PrĤbČh tlaku pĜi jevu Backdraft (Obr. 25) byl zaznamenaný elektronickým snímaþem. V þase
780 s se odstranil poklop z otvoru ve speciální komoĜe, což se výraznČ projevilo na
39
namČĜených datech. Tlak se podstatnČ snížil. Zapálení Backdraftu nastalo v þase 785,6 s, jak
ukazuje šipka 1. Tlak se mírnČ zvýšil. První vrchol tlakové kĜivky na grafu nastává v þase
787,5 s, jak ukazuje šipka 2, kdy plamen vystupoval ven z otvoru. Druhý vrchol pĜedstavuje
fireball vnČ prostoru. PĜetlak uvolnČný pĜi jevu fireball se kompenzoval vznikem podtlaku
v prostoru, kde byl z tohoto dĤvodu nasát þerstvý vzduch. Následovala þasová sekvence s
témČĜ konstantním tlakem. Po navození Backdraftu došlo ke vzniku záporné bilance
pĜitékajícího vzduchu do prostoru spodní þástí otvoru (vzduch nepĜitékal, naopak byl
vytlaþován ven), protože pĜetlak vytvoĜený v prostoru zabraĖoval jeho pĜísunu. Poté, co
„ohĖivá koule“ (angl. “fireball“) opustila prostor, došlo k ustálení tlaku a hmotnostního
pĜítoku þerstvého vzduchu do prostoru.
Obr. 26 - Záznam tlaku po zapálení hoĜlavé smČsi [21]
Záznam tlaku (Obr. 26) byl namČĜen pomocí Pitotových trubic umístČných v otvoru.
Backdraft na tomto grafu charakterizují tĜi stupnČ:
1.
První stupeĖ se na grafu nachází mezi otevĜením otvoru a iniciací. Náhlé otevĜení
otvoru zpĤsobilo vniknutí þerstvého vzduchu do prostoru jeho spodní þástí, zatímco
horké vznosné spaliny unikaly horní þástí otvoru. To je zpĤsobeno pĜetlakem
vzniklým v horní þásti a podtlakem ve spodní þásti prostoru.
2.
Tento stupeĖ pĜedstavuje Backdraft. Po iniciaci se plyny tlaþí ven z kontejneru celým
otvorem a vnČ prostoru vzniká fireball.
40
3.
NČkolik sekund po Backdraftu se tlak uvnitĜ kontejneru vyrovnává. To zpĤsobuje
nasátí vzduchu zpČt do kontejneru vlivem vzniklého podtlaku. Podtlak ovšem není tak
velký jako pĜetlak v pĜedešlém stupni tohoto fyzikálního dČje.
Záznamy tlakĤ na obou snímcích mají podobný tvar kĜivek.
V uvedených grafech jsou nČkteré hodnoty nevČrohodné, což mohlo být zpĤsobeno mČĜící
technikou. Doba reakce na zmČnu fyzikálních veliþin byla delší, než mČla být, protože pro jev
Backdraft je charakteristický velmi rychlý prĤbČh a s tím spojené náhlé zmČny fyzikálních
veliþin. Neodpovídá napĜ. koncentrace 3% kyslíku (Obr. 24), pĜi které mČlo ještČ probíhat
plamenné hoĜení. Hodnoty tlaku s þasem rovnČž nemusí zcela korespondovat. Klimatické
podmínky jako rychlost vČtru, vlhkost vzduchu, teplota vzduchu a další, mČly urþitČ podstatný
vliv na výmČnu plynĤ pĜi experimentech provádČných na volném prostranství. Ovšem trendy
kĜivek jev Backdraft charakterizují velice dobĜe [16],[20],[21].
6.2 Simulace jevu Backdraft ve Švédsku
Tato simulace probČhla v prosinci 2007 v SRSA (Swedish Rescue Service Agency) College,
Skövde. Organizace, která provádČla simulaci již v souþasné dobČ neexistuje. Simulace byla
provádČna komerþnČ [31].
6.2.1 Použité zaĜízení
Backdraft kontejner sloužil pro navození jevu. Lodní kontejner mČl rozmČry 2500 x 2500 x
6000 mm. V pĜední þásti kontejneru byly situovány dva otvory stejnČ jako u 6 m kontejneru
popsaného v oddílu 4, pĜiþemž v boþní stČnČ byly navíc tĜi otvory.
StČny byly tvoĜeny trapézovým plechem. PĤvodní dĜevČná podlaha kontejneru byla pokryta
dlaždicemi. U stropu byla navaĜená železná oka, která sloužila k uchycení ĜetČzĤ. V
kontejneru bylo umístČno teplotní þidlo, zĜejmČ v polovinČ výšky. Bylo vedeno otvorem v
boþní stČnČ [31].
6.2.2 Postup pĜi simulaci jevu Backdraft
Do výše zmínČného kontejneru bylo rozmístČno palivo (Obr. 27). Hranice dĜevČných hranolĤ
byla umístČna na dvou dĜevČných paletách v zadní þásti kontejneru. Obklad stČn a stropu
41
tvoĜily typizované, 3 až 5 mm silné desky z lisovaného dĜeva. Na stČnách byly 2 vrstvy desek
a u stropu byly 3 až 4 vrstvy desek.
Obr. 27 - RozmístČní paliva v Backdraft kontejneru [30]
Takto vytvoĜená hranice byla zapálena pomocí tekutých lihových podpalovaþĤ, které byly
mimo jiné použity proto, aby se hranice rychle rozhoĜela. Palety umožnily pĜísun kyslíku i do
spodní þástí prostoru. DĜevČné hranoly byly použity zámČrnČ stejnČ jako typizované desky
pro svou schopnost tvoĜit pĜi spalování pyrolýzní produkty. PrĤbČh požáru v kontejneru je
vidČt na sérii snímkĤ (Obr. 28). První ukazuje rozšiĜující se požár na okolní palivo. Plameny
se postupnČ zvČtšují, nahĜívají desky z lisovaného dĜeva u stČn a nejvíce pak u stropu.
NahĜíváním hoĜlavého materiálu vznikají pyrolýzní produkty. Požár v prostoru se následnČ
dostává do fáze, kdy zahĜívané materiály uvolĖují množství pyrolýzních produktĤ, které se
nestaþí odvádČt ven z prostoru. Snímek þ. 4 (Obr. 28) názornČ ukazuje horní horkou vrstvu a
pokles neutrální roviny vertikálnČ smČrem k podlaze. Otvory nad sebou byly otevĜeny a
umožnily jak pĜísun kyslíku do místa hoĜení, tak odvod zplodin hoĜení a pyrolýzních
produktĤ. Teplota v Backdraftovém kontejneru neustále stoupala. Produkty procesu pyrolýzy
se kumulovaly v horní horké vrstvČ. Jakmile umístČné teplotní þidlo zaznamenalo hodnotu
teploty cca 750 °C, tak byl kontejner uzavĜen. Jednalo se o maximální dosaženou teplotu,
následnČ pak teplota zaþala klesat. Po uzavĜení kontejneru bylo slyšet syþení netČsnostmi v
okolí otvorĤ zpĤsobené nasáváním vzduchu do kontejneru a vytlaþováním kouĜe. Teplota
snímaná teplotním þidlem rychle klesala a pĜi dosažení hodnoty cca 350 °C se horní otvor
otevĜel.
42
Obr. 28 - Rozvoj požáru v Backdraft kontejneru [30]
Hustotní proud þerstvého vzduchu vnikal spodní þástí otvoru a horké spaliny a pyrolýzní
produkty unikaly ven z prostoru horní þástí otvoru. Tuto výmČnu plynĤ doprovázelo
charakteristické odvalování kouĜe vnČ kontejneru. UvnitĜ na rozhraní þerstvého vzduchu a
horkých plynĤ docházelo k promíchávání. VytváĜela se hoĜlavá smČs, kterou nesl hustotní
proud ke zdroji zapálení. Po zapálení nastala prudká turbulentní deflagrace v prostoru. Ta
vytlaþila nespálené pyrolýzní produkty ven z kontejneru a vznikl fireball (Obr. 29).
Daná simulace byla provedena opakovanČ. Rozdíl se ukázal pouze pokud jde o razanci
Backdraftu a polomČr fireballu [31].
43
Obr. 29 - Fireball pĜi simulaci ve Skövde (Švédsko) [30]
6.3 ZávČr z praktických simulací
PĜi experimentech Fleischmanna a Gojkovice byl použit jako palivo plyn. Ve Skövde se na
rozdíl od toho použilo tuhé palivo v podobČ desek z lisovaného dĜeva, dĜevČných hranolĤ a
palet. V experimentech, kde byl použit plyn jako palivo, bylo daleko snadnČjší vytvoĜit uvnitĜ
uzavĜeného prostoru výbušnou koncentraci. PĜi simulaci ve Skövde bylo Ĝešeno rozmístČní
paliva a množství paliva. Vlivem správného rozmístČní dostateþného množství paliva (Obr.
27) a vþasného uzavĜení Backdraft kontejneru se vytvoĜilo dostateþné množství pyrolýzních
produktĤ k navození jevu Backdraft. Dostateþná teplota produktĤ pyrolýzy pro vznik jevu
Backdraft byla zajištČna opakovaným pokusným otevĜením otvoru v kontejneru pĜi rĤzných
teplotách. V prĤbČhu výše zmínČné konkrétní simulace (Skövde) bylo otevĜení vČtracího
otvoru provedeno pĜi teplotČ vnitĜního prostoru 350 °C.
Mezi významné charakteristické okolnosti, které ovlivĖují vznik jevu Backdraft, lze zaĜadit:
•
Prostor (rozmČry, dispoziþní Ĝešení, použité stavební materiály);
•
Palivo (druh, množství, rozmístČní, vlhkost);
•
Okolní atmosféra (teplota, tlak, vlhkost, množství kyslíku ve vzduchu);
•
ýas uzavĜení prostoru (správný okamžik pro pĜechod požáru do IV. fáze);
•
ýas otevĜení vČtracího otvoru (správný okamžik pro pĜísun vzdušného kyslíku).
44
6.4 Matematické modelování
Matematické modely, které lze využít pro modelování požáru, vycházejí ze soustav
matematických rovnic, které se snaží vystihnout modelovaný fyzikální dČj. Tyto modely se
dČlí do dvou hlavních skupin [10]:
•
modely deterministické;
•
modely pravdČpodobnostní.
6.4.1 Modely deterministické
Modely deterministické popisují procesy související s požárem pomocí matematického
vyjádĜení základních fyzikálních a chemických rovnic. Základem jsou diferenciální rovnice
zachování hmoty a energie. Pokud se jedná o složité požární scénáĜe, využívají se i rovnice
zachování hybnosti. Deterministické modely požáru mají široké využití, ovšem základ tČchto
modelĤ tvoĜí modely zónové a modely typu pole. Modely typu pole budou popsány níže. Na
charakteristiku zónových modelĤ lze odkázat v literatuĜe [10].
Modely typu pole
Modely typu pole patĜí mezi nejpropracovanČjší poþítaþové programy k simulaci požáru v
uzavĜeném prostoru. V praxi jsou oznaþovány jako CFD (Computational Fluid Dynamics)
modely. Tyto modely využívají trojrozmČrnou výpoþetní oblast pokrytou sítí. Objem místnosti
je tedy rozdČlen na velký poþet malých trojrozmČrných elementĤ, neboli tzv. „bunČk“.
RozmČry tČchto bunČk se pohybují v rozsahu milimetrĤ až metrĤ. Základem výpoþtu jsou opČt
rovnice zachování hmoty, energie a rovnČž i hybnosti. Ve výpoþtech se vyskytují další
promČnné, napĜ. viskozita tekutin. Základ CFD modelĤ tvoĜí parciální diferenciální rovnice,
napĜ. Navier-Stokesovy rovnice.
Poþítaþ bČhem simulace Ĝeší napĜ. pohyb kouĜe (produktĤ spalování v dĤsledku probíhající
exotermické chemické reakce) a tepla v jednotlivých buĖkách napĜíþ výpoþtovou oblastí. V
urþitém þasovém okamžiku je možné vyhodnotit napĜ. teplotu, rychlost pohybu plynĤ a jejich
koncentraci ve 3D prostoru. CFD modely obvykle obsahují dílþí modely, tzv. „submodely“,
které Ĝeší a upĜesĖují dílþí charakteristiky daného fyzikálního dČje. Jedná se napĜíklad o dílþí
modely Ĝešící turbulenci, tepelnou radiaci nebo samotný proces hoĜení (spalování - chemickou
45
reakci). Složitost modelu typu pole vyžaduje rozsáhlé odborné znalosti uživatele, dostateþnou
výkonnost výpoþetní techniky [10].
PĜíklady modelĤ typu pole jsou:
•
FDS
Jedná se o americký program, který má své uplatnČní jak pĜi návrhu požárnČ
bezpeþnostních zaĜízení, tak k zjišĢování šíĜení požáru v rĤzných objektech. Je také
skvČlým nástrojem pro studium základĤ dynamiky požáru i samotného procesu hoĜení
[10].
•
FLUENT
Programový komplex umožĖující numerické Ĝešení zamČĜený pĜedevším na oblast
mechaniky tekutin a umožĖující i Ĝešení složitých scénáĜĤ požáru. Tento program je
možné využít pĜi komplexním Ĝešení úloh z oblasti proudČní a spalování. Používá se také
pro vnitĜní i vnČjší obtékání tČles, v laminární i turbulentní oblasti, výpoþty vícefázového
proudČní, proudČní s volnou hladinou i chemickými reakcemi (napĜ. hoĜení) spolu s
pĜenosem tepla. Program umožĖuje jak stacionární, tak i nestacionární analýzu ve 2D i 3D
výpoþetní oblasti a následnou vizualizaci výsledkĤ [26].
•
JASMINE
Anglický program zamČĜený na analýzu pohybu kouĜe v uzavĜených prostorech, využívá
výpoþty z dynamiky proudČní tekutin (CFD) k popisu pĜenosu tepla a plynĤ pĜi požáru.
Zahrnuje klíþové procesy týkající se pohybu kouĜe jako napĜ. proudČní, turbulenci,
vztlakové síly, sálání a pĜestup tepla do ohraniþujících konstrukcí a samotné hoĜení.
Poskytuje informace o teplotČ plynĤ, hustotČ, rychlosti proudČní plynĤ a chemickém
složení v prĤbČhu þasu. Stanovuje také teplotu povrchĤ þi množství pĜeneseného tepla
proudČním [10],[27].
•
SMARTFIRE
Integrované prostĜedí simulace požáru tohoto anglického programu je vhodné jak pro
zaþáteþníka, tak pro pokroþilého Ĝešitele (uživatele). Je schopný v navrženém prostoru
simulovat napĜ. i turbulentní, horké a vzestupné toky plynĤ [10].
46
•
PHOENICS
Anglický matematický model, který je velmi univerzální. ěeší úlohy zahrnující proudČní
tekutin, pĜenos hmoty, energie a fyzikální dČj spalování [10]. Další informace o tomto
programu je možné nalézt v literatuĜe [28].
•
PYROSIM
PyroSim je americký modelovací systém, který umožní vytvoĜit prĤbČh a následnČ
zhodnotit modelovanou požární simulaci. Kombinuje 3D grafické modelování s modelem
FDS (Fire Dynamics Simulator) z NIST (National Institute of Standards and Technology).
PyroSim umožĖuje napĜ. modelování pohybu kouĜe, pĜenosu tepla, šíĜení plamene po
povrchu. Využívá se také pĜi vyšetĜování pĜíþin požáru [29].
6.4.2 PravdČpodobnostní modely
PravdČpodobnostní modely pĜedstavují druhou skupinu. Tyto modely nevycházejí pĜímo z
fyzikálních nebo chemických projevĤ charakterizujících chování požáru, ale využívají
statistických pravdČpodobností o možném vzniku a následném vývoji požáru [10].
47
ZávČr
Základem pro úspČch pĜi represivní požární þinnosti, zejména pĜi požárech v uzavĜeném
prostoru, je dle mého názoru znalost možných scénáĜĤ požáru v uzavĜeném prostoru. Souhrn
teoretických znalostí a následná kontrolovaná simulace možných jevĤ spojených s
nelineárním rozvojem požáru je doposud nejlepším zpĤsobem tréninku jednotek požární
ochrany vedoucím ke zvýšení stupnČ jejich pĜipravenosti a akceschopnosti pĜi konfrontaci s
tČmito jevy. Jedním z tČchto jevĤ je Backdraft.
Definice, která nejvíce vystihuje jev Backdraft, pĜevzata z definic obsažených ve studiích
od Quintiere a Pagni/Fleishmann a mírnČ pozmČnČna (viz oddíl 5.2):
Nedostateþná ventilace bČhem požáru v uzavĜeném prostoru mĤže vést k tvorbČ velkého
množství nespálených pyrolýzních produktĤ. Když dojde k náhlému otevĜení otvoru, pĜítok
þerstvého vzduchu vytváĜí hustotní proud a nespálené pyrolýzní produkty se zaþnou míchat.
VytvoĜí se hoĜlavá smČs plynĤ v nČkteré þásti uzavĜeného prostoru. Iniciaþní zdroj, napĜ.
žhavý popel, mĤže zapálit hoĜlavou smČs. ExtrémnČ prudké hoĜení plynĤ má za následek
vytlaþování pyrolýzních produktĤ vzniklých pĜi procesu hoĜení skrz otvor a vzniká tzv.
fireball vnČ uzavĜeného prostoru [11].
K tomu, aby mohla být provedena simulace jevu Backdraft, je tĜeba v poþátku podrobnČ
popsat tento jev a umČt odpovČdČt na následující otázky:
V jakém zaĜízení bude jev Backdraft simulován?
OdpovČć na tuto otázku byla známa již pĜi zadání této práce. Simulace bude v budoucnu
provedena v šest metrĤ dlouhém kontejneru, který je souþástí zaĜízení Flashover kontejneru
(viz oddíl 4). Toto zaĜízení je v rámci HZS ýR k simulaci tohoto jevu pĜímo urþené.
Jakým zpĤsobem bude Backdraft simulován, aby bylo zajištČno opakované navození jevu?
Aby bylo možno tuto otázku zodpovČdČt, je v práci jev Backdraft podrobnČ popsán na
základČ provedené rešerše (viz oddíly 5 a 6), a to v rozsahu odpovídajícímu množství a
povaze získaných podkladĤ a doporuþenému rozsahu práce. Tento podrobný popis jevu bude
možno využít k odborné teoretické pĜípravČ pĜíslušníkĤ HZS ýR.
48
Protože doposud neexistuje žádná metodika v ýR pro systematickou a spolehlivou simulaci
jevu Backdraft v podmínkách ýR, zahájil jsem hledání odpovČdi na tuto otázku
vypracováním co nejkomplexnČjší rešerše s možností navázat na tuto práci v budoucnu
fyzikálním experimentem ve Flashover kontejneru.
Došel jsem k závČru, že nejvhodnČjší bude postupovat pĜi simulaci jevu Backdraft ve
Flashover kontejneru stejnČ, jako bylo postupováno pĜi simulaci tohoto jevu ve Skövde
(Švédsko). Použití pevného paliva umožĖuje navodit scénáĜ požáru v uzavĜeném prostoru,
který se blíží požáru v reálných podmínkách. Ovšem je nutné brát ohled na podmínky, které
zásadnČ ovlivĖují vznik Backdraftu:
•
prostor (rozmČry, dispoziþní Ĝešení, použité stavební materiály);
•
palivo (druh, množství, rozmístČní, vlhkost);
•
okolní atmosféra (teplota, tlak, vlhkost, množství kyslíku ve vzduchu);
•
þas uzavĜení prostoru (správný okamžik pro pĜechod požáru do IV. fáze);
•
þas otevĜení vČtracího otvoru (správný okamžik pro pĜísun vzdušného kyslíku).
Prostor k provedení simulace bude stejný jako ve Skövde. Oba kontejnery jsou totožné [32].
Je možné také použít stejné palivo a jeho rozmístČní v prostoru.
Vhodný þas uzavĜení prostoru a otevĜení horního vČtracího otvoru kontejneru lze podle
teploty vnitĜního prostoru odhadnout pĜi vhodném umístČní teplotního þidla stejnČ jako pĜi
simulaci ve Skövde.
Okolní atmosféru však pĜi budoucí simulaci ovlivnit nelze, a tato mĤže mít znaþný vliv na
vznik jevu Backdraft. Velký vliv na fyzikální prĤbČh dČje mĤže mít pĜedevším atmosférický
tlak, teplota a vlhkost, popĜ. nadmoĜská výška ve vazbČ na množství kyslíku v atmosféĜe.
V podmínkách ýR doposud neexistuje metodika navození tohoto jevu a bylo by tedy pĜínosné
tuto metodiku vypracovat. ZpĤsobem dosažení tohoto cíle je komplexní teoretická pĜíprava
formou rešerše a série praktických zkoušek s výsledným zhodnocením.
Cílem bakaláĜské práce bylo vytvoĜit teoretický podklad pro budoucí systematickou a
spolehlivČ opakovatelnou simulaci (fyzikální experiment) jevu Backdraft v zaĜízení Flashover
49
kontejner a pro odbornou teoretickou pĜípravu pĜíslušníkĤ HZS ýR ohlednČ tohoto jevu. Dle
mého názoru se podaĜilo zadaných cílĤ bakaláĜské práce splnit v požadovaném rozsahu.
V budoucí diplomové práci bych chtČl provést praktickou simulaci jevu Backdraft v zaĜízení
Flashover kontejner za spolupráce HZS ýR Olomouckého kraje, ÚO ProstČjov. Na základČ
budoucího fyzikálního experimentu bude teoreticky možné provést i matematické modelování
jevu Backdraft pomocí vhodného CFD kódu. Následným porovnáním výsledkĤ fyzikálního
experimentu a matematického modelování by bylo možno získat další zajímavé informace o
jevu Backdraft sloužící k hlubšímu poznání tohoto fenoménu.
50
Literatura
[1] PPLK. ING. VONÁSEK, Vladimír, KPT. ING. LUKEŠ, Pavel a kolektiv. PĜíloha
þasopisu 112 þíslo 3/2008 : Statistická roþenka 2007 [online]. 2009, roþ. 2008, þ. 3
[cit. 2009-02-16], s. 7. Dostupný z WWW: <http://www.hzscr.cz/clanek/statistickerocenky.aspx?q=Y2hudW09MQ%3d%3d>.
[2] W.BUKOWSKI, Richard. Modeling a Backdraft : The Fire at 62 Watts Street. Paper
of National Institute of Standards and Technology [online]. 1995 [cit. 2009-02-16].
Dostupný z WWW: <http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire95/PDF/f95090.pdf>.
[3] GRIMWOOD, Paul, DESMET, Koen. Tactical Firefighting : A COMPREHENSIVE
GUIDE TO COMPARTMENT FIREFIGHTING & LIVE FIRE TRAINING. Tactical
Firefighting
[online].
2003
[cit.
2009-02-16].
Dostupný
z
WWW:
<http://www.firetactics.com/CEMAC-KD-PG-2003-2.pdf>.
[4] Vyhláška þ. 246/2001 Sb., o stanovení podmínek požární bezpeþnosti a výkonu
státního požárního dozoru (vyhláška o požární prevenci), ve znČní pozdČjších pĜedpisĤ.
[5] DOC. DR. ING. KVARýÁK, Miloš. Základy požární ochrany. Ing. OndĜej Zeman. 1.
vyd. Ostrava : Sdružení požárního a bezpeþnostního inženýrství, 2005. 134 s.
ISBN 80-86634-76-0.
[6] HAVLÍýEK, Kamil. Zkouška výcvikového trenažéru na spalování tuhých paliv.[s.l]
2007. 58 s. VŠB-TU Ostrava, Fakulta bezpeþnostního inženýrství. Vedoucí diplomové
práce Ing. Jan Hora.
[7] P. Bitala, private communication. PĜenos tepla a kouĜe pĜi požárech was supplied by P.
Bitala.
[8] PROF. ING. BALOG, Karel, CSc., DR. ING. KVARýÁK, Miloš. Dynamika požáru.
1. vyd. Ostrava : Sdružení požárnČ bezpeþnostního inženýrství, 1999. 118 s. ISBN 8086111-44-X.
[9] DOC. ING. BLAHOŽ, Vladimír, ING. KADLEC, ZdenČk. Základy sdílení tepla. 2.
vyd. Ostrava : Sdružení požárnČ bezpeþnostního inženýrství, 2000. 110 s. ISBN 80902001-1-7.
[10] PEZDOVÁ, ZdeĖka. Porovnání reálného požáru prostĜednictvím matematického
modelu požáru. [s.l.], 2008. 58 s. VŠB - Technická univerzita Ostrava. Fakulta
bezpeþnostního inženýrství. Vedoucí diplomové práce Ing. Petr Kuþera. Dostupný z
WWW: <http://dspace.vsb.cz/dspace/bitstream/10084/69005/1/M3908.3908T006.pez0
04.pdf>.
51
[11] GORBETT, E.Gregory, PROFESSOR HOPKINS, Ronald. Presentation at the
National Protection Association World Safety Conference : The Current Knowledge &
Tranining Regarding Backdraft, Flashover, and Other Rapid Fire Progression
Phenomena
[online].
2007
[cit.
2009-02-24].
Dostupný
z
WWW:
<http://people.eku.edu/gorbettg/index_files/backdraft%20paper.pdf>.
[12] Flashover kontejner Hamry [online]. c2007-2009 [cit. 2009-03-03]. Dostupný z
WWW: <http://www.flashover.cz>.
[13] Mapy.cz
[online].
[cit.
2009-03-03].
Dostupný
z WWW:
<http://www.mapy.cz/#[email protected][email protected][email protected][email protected][email protected][email protected]
[email protected][email protected]=114152357_122963841_156947365_156387201>.
[14] ING. OŠLEJŠEK, Petr. Výuková prezentace : Požáry v uzavĜených prostorech. 2007.
93 s. HZS ýR Olomouckého kraje. Územní odbor ProstČjov.
[15] Ministerstvo vnitra - generální Ĝeditelství HZS ýR. Koncepce výstavby a používání
trenažérĤ na pevná paliva simulující reálné podmínky požáru pĜi odborné pĜípravČ
hasiþĤ : Návrh technického Ĝešení trenažéru pĜi HZS Olomouckého kraje. Praha. 2006,
24 s. ý.j. PO-72/IZS-2006.
[16] M. FLEISCHMANN, Charles. Backdraft Phenomena. [s.l.], 1993. 127 s. University of
California
at
Berkeley.
Dizertaþní
práce.
Dostupný
z
WWW: <http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire94/PDF/f94008.pdf>.
[17] M. FLEISCHMANN, C., B. MCGRATTAN, K. Numerical and experimental gravity
currents related to backdrafts. Fire Safety Journal 33 [online]. 1999 [cit. 2009-02-24].
Dostupný z WWW: <http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire99/PDF/f99040.pdf>.
[18] DR. ING. REICK, Michael. Deutsche Feuerwehr - Zeitung BRANDSchutz :
Türöffnungsprozedur mit einem mobilen Rauchverschluss. Deutsch Feuerwehr Zeitung BRANDSchutz [online]. 2006, Jahrg. 2006, N. 8 [cit. 2009-02-24], s. 531-535.
Dostupný z WWW: <http://www.rauchverschluss.de/0608_Reick.pdf>.
[19] DUNN, Vincent. December Newsletter by Vincent Dunn : Backdraft and flashover,
what is the difference?. December Newsletter by Vincent Dunn [online]. [cit. 2009-0224]. Dostupný z WWW: <http://vincentdunn.com/dunn/newsletters/dec/dec.pdf>.
[20] M. FLEISCHMANN, C., J. PAGNI, P., B.WILLIAMSON, R. Quantitative Backdraft
Experiments. International for Fire Safety Science [online]. 1994 [cit. 2009-02-24].
Dostupný z WWW: <http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire94/PDF/f94135.pdf>.
[21] GOJKOVIC, Daniel. Initial Backdraft Experiments [online]. 2000 [cit. 2009-02-24].
Report 3121. Department of Fire Safety Engineering Lund University, Sweden.
52
Dostupný z WWW: <http://130.235.7.155/publikationsdb/docs/3121.pdf>. ISSN 1402
- 3504.
[22] Skövde Training ground [online]. Räddnings Verket. [cit. 2009-03-03]. Dostupný
z WWW:
<http://www.srv.se/upload/SRSA/TRAINING/Sk%C3%B6vde/Sk%C3%B6vde%20tr
aining%20ground.pdf>.
[23] ING. OŠLEJŠEK, Petr. Prezentace : ZaĜízení pro simulaci požáru v uzavĜených
prostorech. 40 s. HZS ýR Olomouckého kraje. Územní odbor ProstČjov.
[24] OŠLEJŠEK, Petr. Technika hašení požárĤ v uzavĜených prostorech. [s.l.], 2008. 51 s.
Vysoká škola báĖská - Technická univerzita Ostrava. Fakulta bezpeþnostního
inženýrství.
Vedoucí
bakaláĜské
práce
Ing.
Marek
Sobek.
Dostupný
z
WWW: <http://dspace.vsb.cz/bitstream/10084/69198/1/B3908.3908R006.osl019.pdf>.
[25] ING. ZAVILA, OndĜej. Matematické modelování turbulentního proudČní, šíĜení tepla
a polutantu v mezní vrstvČ atmosféry se zamČĜením na tunelové stavby. [s.l.], 2007. 111
s. Vysoká škola báĖská - Technická univerzita Ostrava. Fakulta bezpeþnostního
inženýrství. Vedoucí disertaþní práce Doc. RNDr. Milada Kozubková, CSc.
[26] Software ZFC : FLUENT [online]. c2000 [cit. 2009-03-30]. Dostupný z WWW:
<http://zsc.zcu.cz/sw/fluent.html>.
[27] Computer Models For Fire and Smoke [online]. 2007 [cit. 2009-03-30]. Dostupný z
WWW: <http://www.firemodelsurvey.com/pdf/JASMINE_2007.pdf>.
[28] Computer Models For Fire and Smoke [online]. 2001 [cit. 2009-03-30]. Dostupný z
WWW: <http://www.firemodelsurvey.com/pdf/PHOENICS_2001.pdf>.
[29] PyroSim
[online].
2008
[cit.
2009-03-30].
Dostupný
z
WWW:
<http://www.thunderheadeng.com/pyrosim/PyroSimHandout.pdf>.
Informace získané prostĜednictvím konzultací a korespondence
[30] ING. SOBEK, Marek. Osobní konzultace. HZS ýR Olomouckého kraje. Územní
odbor ProstČjov.
[31] ING. LOS, František. Korespondence, videozáznamy a fotodokumentace z výcviku ve
Skövde. HZS ýR Libereckého kraje.
[32] ING. JAHN, Ivo. Osobní konzultace a poskytnuté materiály z výcviku ve Skövde. HZS
ýR Olomouckého kraje. Územní odbor ProstČjov.
[33] BRODECKÝ, Radek. Informace o zásahu. HZS ýR Olomouckého kraje.
53
Seznam zkratek
HZS ýR
Hasiþský záchranný sbor ýeské republiky
FBI
Fakulta bezpeþnostního inženýrství
NFPA
National Fire Protection Association
NIST
National Institute of Standards and Technology
CFD
Computational Fluid Dynamics
SRSA
Swedish Rescue Service Agency
ÚO
Územní odbor
IFE
Institution of Fire Engineers
54
Seznam pĜíloh
PĜíloha A: Vznik jevu Backdraft v zahraniþí
PĜíloha B: Vznik jevu Backdraft v ýR
55
PĜíloha A
Vznik jevu Backdraft v zahraniþí
The Fire at 62 Watts Street
Zpráva popisuje požár, který propukl 28. bĜezna 1994 ve tĜípatrové budovČ na Manhattanu v
New York City (Obr. 30). Stavba byla pĜed požárem rekonstruována. Rekonstrukce spoþívala
v zateplení, dĜevČném obložení stČn, instalaci nových oken a dveĜí. Na stĜechu vedl únikový
otvor a nad schodištČm byl instalován svČtlík s výplní drátoskla.
Požár vznikl v kuchyni. Majitel odložil plastovou tašku na sporák, který zapomnČl vypnout.
Požár se rozšíĜil na bytovou jednotku. PĜísun kyslíku byl umožnČn z krbového odtahu, okna a
dveĜe byly zavĜené. PĜi pĜíjezdu požárního sboru byly zpozorovány jiskry vylétající z komína
krbu. Jedna skupina hasiþĤ byla nasazena na odvČtrání schodištČ svČtlíkem a únikovým
otvorem. Další dvČ skupiny, každá o poþtu tĜí hasiþĤ, byly vyslány k bytĤm v prvním a
druhém podlaží. Jakmile skupina v prvním podlaží otevĜela dveĜe bytu, následnČ zaznamenala
pĜíval vzduchu do bytu spodní þástí dveĜí a v zápČtí na to horní þástí dveĜí mohutný výfuk
plynĤ z bytové jednotky. Plamen prudce vyšlehl z bytu prostorem schodištČ vzhĤru, vyplnil
prostor celého schodištČ a zasáhl tĜíþlennou skupinu hasiþĤ. Plamen v prostoru schodištČ trval
6,5 minuty. Backdraft zabil tĜíþlennou skupinu hasiþĤ [2].
Obr. 30 - TĜí patrová budova v þásti Manhattan (New York City) a místo vzniku požáru [2]
PĜíprava metodiky pro simulaci jevu Backdraft …
1/1
Lukáš Dostál
PĜíloha B
Vznik jevu Backdraft v ýR
Požár sauny
Požár vznikl 20. 12. 2007 v ulici Jeremenkova v Olomouci. Jednalo se o prostor sauny (Obr.
31) s rozmČry 5 x 4 x 2,5 m (délka x šíĜka x výška). Sendviþová konstrukce stČn mČla složení:
dĜevo, izolace, dĜevo. StĜecha stavby byla sedlová. StČny, strop a podlaha byly obloženy
dĜevem, stupĖovité lavice v prostou byly taktéž dĜevČné. TopeništČ bylo oddČleno od prostoru
sklenČnou stČnou a pĜikládalo se zvenþí.
V topeništi byl proveden zátop a obsluha sauny odešla. V prostoru sauny nikdo nebyl.
SklenČná stČna oddČlující prostor topeništČ od sauny byla zĜejmČ prasklá. Z dĤvodu porušení
sklenČné tabule došlo k prošlehnutí plamene a následnému zapálení vnitĜního vybavení.
Obsluha zpozorovala kouĜ kolem dveĜí a oken, otevĜela dveĜe sauny, vyvalil se kouĜ a ihned
je zase zavĜela. Po pĜíjezdu jednotky (1+5) HZS ýR z Olomouce byl vidČt kouĜ unikající
kolem dveĜí a oken, ale nebyly vidČt žádné plameny. Požár pulsoval. Zasahující hasiþi
s dýchací technikou a s pĜipraveným útoþným proudem C opatrnČ otevírali dveĜe. Došlo
k nasátí vzduchu do prostoru sauny, bČhem krátkého okamžiku se tlaková vlna rozšíĜila skrze
polootevĜené dveĜe ven. Zášleh plamene ze dveĜí byl pĜibližnČ 4 až 5 metrĤ do
venkovního prostoru a trval 1 až 2 sekundy. PĜi zásahu nebyl nikdo zranČn [33].
Obr. 31 - Schéma sauny
PĜíprava metodiky pro simulaci jevu Backdraft …
1/1
Lukáš Dostál

Podobné dokumenty

BEZPEČNOSTNÍ LIST URAGAN D2

BEZPEČNOSTNÍ LIST URAGAN D2 Perzistence a rozložitelnost Kyanovodík mĤže být rozložen (biorozložitelnost) prostĜednictvím modifikovaných mikrobních kultur a modifikovaného aktivního kalu. NicménČ, vČtšinou je natolik toxický,...

Více

Vliv snížení konce destilační křivky plynového oleje

Vliv snížení konce destilační křivky plynového oleje prĤmČr 0,25 mm, síla filmu stacionární fáze 0,25 µm (Phenomenex, U.S.A). Frakce byly pĜed analýzou ĜedČny n-heptanem na koncentraci 50 mg/ml. PĜed analýzami byl do roztokĤ pĜidán jako vnitĜní stand...

Více

návod na lepení produkty sika

návod na lepení produkty sika TI V05/03 — NÁVOD NA LEPENÍ PRODUKTY SIKA

Více

ASIO News - ASIO, spol.s r.o.

ASIO News - ASIO, spol.s r.o. metodiky zpravidla brání plnému pochopení všech popisovaných problémĤ. NicménČ, co se týká provozních aplikací membrán, tam za svČtem zase tolik nezaostáváme a máme zpravidla velké množství praktic...

Více

česky - BD SENSORS

česky - BD SENSORS pro prĤmyslové procesy a mČĜení podtlaku, relativního a absolutního tlaku, tlakových rozsahĤ plynĤ, par, kapalin a prachĤ až do 600 bar. K dispozici jsou mnohá procesní pĜipojení jako závity a pĜír...

Více

Požáry v uzavřených prostorech

Požáry v uzavřených prostorech  Použijte „dlouhý puls“

Více

Návod k instalaci a obsluze

Návod k instalaci a obsluze • POZOR! – Tento návod obsahuje dĤležité pokyny a upozornČní týkající se bezpeþnosti osob. Nesprávná instalace zaĜízení mĤže mít za následek vážné zranČní. PĜed instalací si dĤkladnČ prostudujte vš...

Více