Η συμπεριφορά της φωτιάς στο οικοδομικό περιβάλλον, Πρώτο Μέρος

Η συμπεριφορά της φωτιάς στο οικοδομικό περιβάλλον
Φαινόμενα ταχείας εξάπλωσης της φωτιάς: FLASHOVER – BACKDRAFT –   FIRE GAS IGNITIONS

Μέρος Α : Εισαγωγή , βασικές αρχές της καύσης.

Όλο και συχνότερα, βλέπουμε στην τηλεόραση, στο διαδίκτυο και στον τύπο, αναφορές για ακραία φαινόμενα συμπεριφοράς της φωτιάς που γίνονται αιτία να παγιδευτούν, να τραυματιστούν, ή και να χάσουν την ζωή τους πυροσβέστες. Είναι, όμως, αυτά τα φαινόμενα όντως ακραία; Είναι τόσο απρόβλεπτα, και είμαστε τόσο ανίσχυροι απέναντι τους; Στο παρόν άρθρο γίνεται μια προσπάθεια να δοθούν απαντήσεις και εξηγήσεις, με απλό τρόπο. Με την σύνδεση των επιμέρους κομματιών της επιστήμης που αφορούν την πυρόσβεση, θα προσπαθήσουμε να δημιουργήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα όσον αφορά τα φαινόμενα συμπεριφοράς της φωτιάς.

Στο βιβλίο του ‘Fires and Fire Brigades’ (Massey Shaw, 1889), ο Sir Eyre Massey Shaw,[1] γράφει: «[…] λέγεται ότι υπάρχει τόση διαφορά ανάμεσα σε έναν άνθρωπο που δεν έχει εκπαιδεύσει και καλλιεργήσει το πνεύμα του και σε έναν που έχει, όση υπάρχει και ανάμεσα σε έναν νεκρό και έναν ζωντανό. Η ίδια αντίθεση υπάρχει και ανάμεσα σε όσους μελετάνε και εκείνους που δεν μελετάνε το πυροσβεστικό έργο». Σε ακόμη παλαιότερο σύγγραμμά του, με τίτλο ‘Fire Protection’ (1876), αναφέρει:

«[…] Προκειμένου να κάνουμε σωστά τη δουλειά μας, είναι απαραίτητο, κυρίως για αυτούς που την εξασκούν, να καταλάβουν όχι μόνο τι πρέπει να κάνουν, αλλά και γιατί πρέπει να το κάνουν. Όλη η πορεία της διδασκαλίας μου οδηγεί σε αυτό. Κανένας πυροσβέστης δεν μπορεί να υποστηρίξει ότι έχει επιτύχει τον ιδανικό επαγγελματισμό, εάν πρώτα δεν κατακτήσει πλήρως το συνδυασμό θεωρίας και πράξης».

Η μελέτη των αιτιών των φαινομένων  FLASHOVER, BACKDRAFT, SΜΟKE EXPLOSION,  και FIRE GAS IGNITIONS[2] :  ιστορικές αναφορές και πυροσβεστική εκπαίδευση.

Η πρώτη αναφορά στον όρο FLASHOVER γίνεται το 1948, στη 10η έκδοση του εγχειρίδιου του Εθνικού Οργανισμού Πυροπροστασίας των Η.Π.Α., NFPA (National Fire Protection Association ), ενώ το 1967 γίνεται και η πρώτη επιστημονική συζήτηση γύρω από αυτό το φαινόμενο. Το 1983, οι Σουηδοί πυρομηχανικοί Krister Gisselson & Mats Rosander παρουσιάζουν μια καινούργια τεχνική για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού. Το 1986, υιοθετούν την ιδέα  ενός αξιωματικού της Π.Υ. Στοκχόλμης, του Anders Lauren, και εφαρμόζουν ένα «πρωτοποριακό σύστημα εκπαίδευσης» με τη χρήση κοντέινερ μεταφοράς εμπορευμάτων, αλλάζοντας, έτσι, το ρου της πυροσβεστικής εκπαίδευσης. Μέσα σε δύο χρόνια κατορθώνουν να μειώσουν τον αριθμό θανάτου πυροσβεστών από, κατά μέσο όρο, τρία άτομα ανά διετία, σε κανένα.

Το Φεβρουάριο του 1996 στην Αγγλία, δύο τραγικά περιστατικά, που αφορούσαν στα παραπάνω φαινόμενα, κόστισαν τη ζωή σε πέντε πυροσβέστες, με αποτέλεσμα να αναθεωρηθεί άρδην το πλαίσιο της πυροσβεστικής εκπαίδευσης και να υιοθετηθεί το μοντέλο των Σουηδών. Ένα χρόνο αργότερα, η υπηρεσία της Νέας Νότιας Ουαλίας στην Αυστραλία προσαρμόζει το σουηδικό μοντέλο στην εκπαίδευσή της, και 3 χρόνια αργότερα ακολουθεί η Γαλλία. Στην αρχή, διστακτικά… Όμως, ένα ακόμη τραγικό συμβάν στο Neuilly, στο Παρίσι,  το Σεπτέμβριο του 2002, υποχρεώνει και τους πλέον δύσπιστους να εισάγουν καινοτόμες αλλαγές στην εκπαίδευση: δύο «μπάλες φωτιάς» από ένα δωμάτιο εμβαδού μόλις εννέα τετραγωνικών μέτρων προκαλούν το θάνατο πέντε πυροσβεστικών υπαλλήλων. Ας ξεκινήσουμε, όμως, να εξηγήσουμε αυτά τα φαινόμενα παρουσιάζοντας πρώτα τα επιμέρους κομμάτια που συνθέτουν την ολοκληρωμένη εικόνα.

Το “ΤΡΙΓΩΝΟ ΤΗΣ ΦΩΤΙΑΣ” – ΚΑΥΣΗ

Ως γνωστόν, η καύση είναι μια εξώθερμη χημική αντίδραση, που έχει ως αποτέλεσμα την έκλυση ενέργειας (θερμότητας) και φωτός. Για την καύση είναι απαραίτητο να υπάρχει: καύσιμη ύλη – θερμότητα – οξυγόνο.
Αν και την καύσιμη ύλη τη διακρίνουμε σε στερεά, υγρά και αέρια, πρέπει να γίνει κατανοητό ότι ΔΕΝ ΚΑΙΓΕΤΑΙ η μάζα των στερεών και υγρών καυσίμων. Τα υγρά αναφλέγονται μόνο όταν θερμανθούν τόσο ώστε να παραχθούν ατμοί. Τα στερεά, πρέπει είτε να υγροποιηθούν και, εν συνεχεία να “περάσουν”  σε αέρια μορφή, όπως, π.χ., το κερί, ή να μετατραπούν απ’ευθείας σε αέρια μορφή. Για παράδειγμα, όταν το ξύλο εκτεθεί σε υψηλές θερμοκρασίες δημιουργείται ένα εύφλεκτο μίγμα ατμών, μέσω της διαδικασίας της πυρόλυσης, το οποίο και καίγεται.

«Πυρόλυση είναι η χημική αποσύνθεση ενός υλικού με την εφαρμογή θερμότητας σε αυτό»(Queensland Fire & Rescue Authority – QFR105 – Compartment Firefighting – Learners Workbook – 1999 ).

Αυτό το οποίο λαμβάνουμε υπόψη μας είναι ότι εάν ένα κομμάτι ξύλου έχει θερμιδική αξία π.χ. 1000Kj/ kg, η θερμιδική αξία του καπνού που δημιουργείται εάν θερμάνουμε το κομμάτι του ξύλου, χωρίς την παρουσία φλόγας σε κλειστό δοχείο μέχρις ότου εξατμισθεί πλήρως, παραμένει 1000kj/ kg, βάσει της αρχής διατήρησης της ενέργειας. Εάν το πείραμα πραγματοποιηθεί σε ανοιχτό χώρο, το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα και φώς, με αποτέλεσμα να είναι μικρή η ποσότητα της ενέργειας που μπορεί να συντηρήσει την καύση.

Ένα από τα χαρακτηριστικά των αερίων (ατμών) που δεν πρέπει να παραβλέψουμε, είναι η θερμοκρασία αυτανάφλεξης. Οι ατμοί κάθε υλικού αυταναφλέγονται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία, ανεξάρτητα από το εάν υπάρχει φλόγα (πηγή έναυσης) στο χώρο. Ο πίνακας, παρουσιάζει τις θερμοκρασίες αυτανάφλεξης υλικών με τα οποία ερχόμαστε σε επαφή καθημερινά:

Κατά προσέγγιση θερμοκρασίες Αυτανάφλεξης

 

ΥΛΙΚΟ	Θερμοκρασία Αυτανάφλεξης C
Πολυβινυλοχλωρίδια	470
Νάιλον	450
Πολυαιθυλένιο	350
Πολυστυρένιο	490
Πολυουρεθάνη	420
Πολυκαρβονικά	570
Τεφλόν	600
Ξύλο	250-350
Χαρτι	200-350
Σανός	230
Άχυρο	240
Μαλλί	570
Βαμβάκι	300-400
Σπίρτα	160-180
Άνθρακας	+/- 350
Κάρβουνο	140-300

(πηγή :σημειώσεις σχολείου εκπαιδευτών)

Τα αέρια (ατμοί), όταν καίγονται παράγουν δύο είδη φλόγας:

1. Φλόγα «προανάμειξης» η «προμίγματος»: το αέριο αναμιγνύεται με το οξυγόνο πριν τη «ζώνη» καύση, π.χ. κόφτης οξυασετυλίνης. Η φλόγα «προανάμειξης» είναι το αποτέλεσμα της πλήρους ανάμειξης καυσίμου ύλης και οξυγόνου. Αυτό της επιτρέπει να καίει “καθαρά”, πολλές φορές χωρίς καπνό, διότι η ποσότητα ατμών της καύσιμης ύλης είναι περιορισμένη. Όταν δε τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα περνούν μέσα από τη φλόγα, της δίνουν το χαρακτηριστικό μπλε χρώμα.

1. Φλόγα «διάχυσης»: το αέριο αναμιγνύεται με το οξυγόνο κατά την καύση στη «ζώνη» όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, η φλόγα του κεριού. Η θερμοκρασία λιώνει το κερί, το μετατρέπει σε υγρό,το οποίο όταν πλησιάσει μέσα από το φυτίλι κοντά στην φωτιά μετατρέπεται σε άεριο,και τότε γίνεται η μίξη του με το οξυγόνο. Η φλόγα “διάχυσης” είναι προϊόν μιας ατελούς διαδικασίας, που συχνά αφήνει άκαυστα μόρια της καύσιμης ύλης – αιθάλη – στον καπνό. Τα πυρακτωμένα αυτά μόρια του άνθρακα μόρια είναι που δίνουν στη φωτιά το χαρακτηριστικό πορτοκαλί-κίτρινο χρώμα της.

 

Τα προϊόντα της καύσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα άκαυστα, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και οι υδρατμοί, και τα εύφλεκτα, όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, το υδροκυάνιο, η αιθάλη, τα άκαυστα αέρια πυρόλυσης κ.ο.κ. Για να συντηρηθεί η καύση, το μίγμα καύσιμης ύλης – οξυγόνου πρέπει να έχει συγκεκριμένη αναλογία.

Η αναλογία αυτή χαρακτηρίζεται ως “όρια ευφλεξιμότητας”.

 

Κατώτατο Όριο (Κ.Ο.) ονομάζουμε τη χαμηλότερη κατ’ όγκο αναλογία που μπορεί να συντηρήσει την καύση. Το μίγμα, πριν από αυτό το όριο, είναι πολύ φτωχό. Τα μόρια του αέρα λειτουργούν σα «ψήκτρες» και απορροφούν τη θερμότητα.

Ανώτατο Όριο (Α.Ο.) είναι η υψηλότερη αναλογία που μπορεί να συντηρήσει την καύση. Από αυτό το σημείο και μετά, το μίγμα είναι πολύ πλούσιο και δε συντελείται καύση. Τα μόρια της καύσιμης ύλης απορροφούν τη θερμότητα.

Ιδανικό μίγμα ( Ι.Μ.) είναι το μίγμα το οποίο κατά την καύση καταναλώνει όλα τα μόρια οξυγόνου – καύσιμης ύλης που υπάρχουν στον χώρο. Δεν αφήνει κατάλοιπα.

(π.χ προηγούμενη εικόνα, «φλόγα προανάμειξης η προμείγματος»)

ΑΕΡΙΟ	Κ.Ο.Ε. (%)	Α.Ο.Ε. (%)
ΒΕΝΖΙΝΗ (100 οκτάνια)	1,4	7,4
ΑΣΕΤΥΛΙΝΗ	2	80 (100)
ΒΟΥΤΑΝΙΟ	1,8	8,4
ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ	4	15
ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ	12	74
ΥΔΡΟΓΟΝΟ	4	75

(Queensland Fire & Rescue Authority – QFR105 – Compartment Firefighting – Learners Workbook – 1999 / M.G. ZABETAKIS 1965 /  Διαδύκτιο )

Τα “όρια ευφλεξιμότητας” διαφέρουν πολύ από καύσιμη ύλη σε καύσιμη ύλη και επηρεάζονται από τη θερμοκρασία καθώς και από την περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο. Το μίγμα χαμηλής κατ’ όγκο περιεκτικότητας γίνεται ιδιαίτερα εύφλεκτο όσο περισσότερο προσεγγίζουμε στη θερμοκρασία αυτανάφλεξης. Η κατ’ όγκο περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο επηρεάζει τα “όρια ευφλεξιμότητας” και την καύση ως εξής: η αυξημένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο (καμπίνες αεροσκαφών, θάλαμοι χειρουργείων, ειδικές βιομηχανικές μονάδες) οδηγεί στη μείωση της θερμοκρασία αυτανάφλεξης, και στην αύξηση του ρυθμού της καύσης και της οξείδωσης.

Αντίστοιχα, η χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο μειώνει το Α.Ο.Ε, μέχρις ότου αυτό συναντηθεί με το Κ.Ο.Ε., οδηγεί στην αύξηση της θερμοκρασίας αυτανάφλεξης και στη μείωση των ρυθμών οξείδωσης και καύσης. Η διαφορές πίεσης κατά τη διάρκεια μίας πυρκαγιάς θεωρούνται αμελητέες και δεν επηρεάζουν τα όρια ευφλεξιμότητας όσον αφορά την μελέτη των φαινομένων της συμπεριφοράς της φωτιάς.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Η καύση παράγει ενέργεια, θερμότητα. Η θερμότητα έχει τρεις τρόπους διάδοσης: την αγωγή στα στερεά (ζέσταμα χύτρας μέσου “ματιού” κουζίνας), τη μεταφορά στα αέρια και τα υγρά (λειτουργία καπνοδόχου), και την ακτινοβολία (θερμότητα ήλιου). Σε πυρκαγιά διαμερίσματος το 65% της θερμότητας διαδίδεται με μεταφορά μέσω του καπνού και των αερίων παραγώγων της πυρκαγιάς και μόλις το 35% με ακτινοβολία εξαιτίας της φωτιάς. Το ποσοστό διάδοσης με αγωγή στην μελέτη των φαινομένων  συμπεριφοράς της φωτιάς το θεωρούμε αμελητέο.

 

Ο ΚΑΠΝΟΣ

Μέχρι πρόσφατα, ο καπνός θεωρείτο απλώς κατάλοιπο της ατελούς καύσης. Ωστόσο, πρόκειται για ένα πολυσύνθετο μίγμα στερεών και υγρών σωματιδίων και αερίων στο οποίο διακρίνουμε πέντε επικίνδυνα χαρακτηριστικά για τον πυροσβέστη:

1. Τοξικότητα: η περιεκτικότητα του καπνού σε οξυγόνο είναι ελάχιστη. Ο καπνός είναι πλούσιος σε μονοξείδιο του άνθρακα. Επί προσθέτως, από την καύση πλαστικών υλών εκλύονται υδροχλώριο, υδροκυάνιο κ.ο.κ.
2. Σκουρόχρωμος: τα άκαυστα σωματίδια άνθρακα, αιθάλης κ.ο.κ. καθιστούν τον καπνό παραπέτασμα και δυσχεραίνουν την ορατότητα.
3. Κινείται: ο καπνός, αν και σε αέρια μορφή, επειδή ακριβώς είναι πλούσιος σε στερεά σωματίδια, συμπεριφέρεται σαν υγρό, κινείται και καταλαμβάνει όλους τους διαθέσιμους για πρόσβαση σε αυτόν χώρους.

Στον παρακάτω πίνακα βλέπουμε την κατά προσέγγιση ποσότητα παραγόμενου καπνού από καύση 10 kgr καύσιμης ύλης

Καύσιμη ύλη /10 kg	Παραγόμενος καπνός σε μ3
ΧΑΡΤΙ	10.000
ΠΟΛΥΟΥΡΕΘΑΝΗ	22.000
ΠΟΛΥΑΙΘΥΛΕΝΙΟ	22.000
ΚΑΟΥΤΣΟΥΚ	25.000
ΒΕΝΖΙΝΗ	25.000
ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ	25.000

(σημειώσεις σχολείου εκπαιδευτών )

4. Θερμότητα: το 65% της διάδοσης της θερμότητας όπως προαναφέραμε πραγματοποιείται με μεταφορά μέσω του καπνού, ο οποίος, ανάλογα με τη θερμοκρασία, ακτινοβολεί θερμότητα. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει χαρακτηριστικά τις ποσότητες της ακτινοβολούμενης θερμότητας ανα τετραγωνικό μέτρο, ανάλογα με την θερμοκρασία του στρώματος καπνού.

Ακτινοβολούμενη θερμότητα από στρώμα καπνού ανάλογα με την θερμοκρασία του.

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΑΠΝΟΥ ΣΕ ΒΑΘΜΟΥΣ ΚΕΛΣΙΟΥ	ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΟΥΜΕΝΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ κW / m2
100	1,10
200	2,84
300	6,11
400	11,63
500	20,24
600	32,93
700	50,82

(L’intervention des sapeurs-pompiers lors des feux en volume clos ou semi-ouvert -Guide du Formateur – v5.12 , 12/2000 )

Για να γίνει όμως πιο κατανοητή η δύναμη της ακτινοβολούμενης θερμότητας από τον καπνό τα κατωθι χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι ένα χαρακτηριστικό μέτρο σύγκρισης :

• 0,67 κW/ m2: θερμότητα που νοιώθουμε από τον ήλιο, μια ζεστή καλοκαιρινή ημέρα.
• 1 κW/ m2: έκθεση του δέρματος χωρίς κανένα πρόβλημα.
• 4 κW/ m2: πόνος στο δέρμα, μετά από σύντομη έκθεση .
• 12,5 κW/ m2: επαρκής πυρόλυση ξύλου, ώστε να το αναφλέξουμε .
• 20 κW/ m2: αυτανάφλεξη ξύλου.

5. Εύφλεκτος ( καύσιμη ύλη): ο καπνός, ως προϊόν ατελούς καύσης, περιέχει ατελώς καμένα υποπροϊόντα της καύσης (μονοξείδιο άνθρακος) ή εντελώς άκαυστα (αέρια πυρόλυσης, σωματίδια άνθρακα,[3] φορμαλδεΰδη, βενζόλιο). Για παράδειγμα, η πυρόλυση του ξύλου παράγει μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και ελαφρούς υδρογονάνθρακες.

Συνοψίζοντας  τα παραπάνω χαρακτηριστικά…

1. Τοξικότητα
2. Σκουρόχρωμος
3. Κινηση / Πλευστότητα
4. Θερμότητα
5. Εύφλεκτος ( καυσιμη ύλη)

…διαπιστώνουμε ότι ο καπνός σε μια πυρκαγιά δεν είναι απλώς ένα κατάλοιπο της καύσης, αλλά έχει τα 2 από τα 3 στοιχεία του τριγώνου της φωτιάς.  Θα πρέπει να αντιμετωπίζεται πλέον ως καύσιμη ύλη, η οποία αιωρείται σαν “δαμόκλειος σπάθη” επάνω από τα κεφάλια του πυροσβεστικού προσωπικού που επεμβαίνει στην κατάσβεση μίας πυρκαγιάς σε κλειστούς ή ημίκλειστους χώρους.

Τα σύγχρονα κτίρια παγιδεύουν την εκλυόμενη θερμότητα, μικρό μέρος της οποίας μόνον διαφεύγει, ως επί των πλείστων από τη σκεπή και τους τοίχους. Τα συνθετικά δε υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται στην οικοσκευή αυξάνουν το θερμικό δυναμικό του χώρου. Οι πυρκαγιές, λοιπόν, εντός των κτιρίων γίνονται όλο και πιο «θερμές», αφού η χημική πολυπλοκότητα των υλικών της οικοσκευής κατά τη θερμική τους αποσύνθεση και καύση απελευθερώνουν τεράστιες ποσότητες εύφλεκτων αερίων και υπερθερμασμένων καπνών.

Οι φωτιές λόγω του τεράστιου θερμικού δυναμικού, εύκολα περνάνε σε κατάσταση όπου η εξέλιξη τους περιορίζεται από τον εξαερισμό ( διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου) το οποίο προκαλεί πρόσθετες επιχειρησιακές ιδιαιτερότητες και απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή στην λήψη αποφάσεων που αφορούν τον εξαερισμό.

Παραπομπές:

1. Επικεφαλής της Π.Υ. Λονδίνου μεταξύ 1861-1891. Έμεινε στην ιστορία γιατί εισήγαγε μοντέρνες μεθόδους πυρόσβεσης και αύξησε τον αριθμό των πυροσβεστικών σταθμών.

2.Τα φαινόμενα αυτά , είναι προτιμότερο να τα αναφέρουμε με την Αγγλική τους ορολογία, γιατί ακόμη δεν υπάρχει κάποια επίσημη επιστημονική αναφορά και τυποποίηση της ορολογίας στα Ελληνικά. Η χρήση των Αγγλικών όρων προτιμάται διεθνώς, για να μην προκαλείται σύγχυση στην αναφορά σε φαινόμενα που έχουν αρκετές ομοιότητες, και στα οποία η  «περιγραφική» ονοματολογία θα οδηγούσε σε παρανοήσεις.

3.Ο άνθρακας έχει την ιδιότητα να “περνάει” απευθείας από τη στερεή στην αέρια μορφή, αλλά για να γίνει αυτό απαιτείται θερμοκρασία άνω των 3.500ο Κελσίου.

Του Γιώργου Μπόγκια