Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
UDC 614.842
The article is devoted to the study of fire hazard indicators of building materials - banana tree leaves, used by residents of rural settlements of Vietnam's provinces for the construction of roofs of residential buildings. Until now, the studied indicators were absent in the databases, in this regard, there is a problem of studying the features of the development of fires in residential buildings of high fire hazard, located in rural settlements of Vietnam. It is important to note that at the current stage of life, the population of the Socialist Republic is growing, and the number of people living in rural areas is increasing from year to year. Today, about 62 million people live in rural areas, which is 63 percent of the country's total population. The relevance of the work lies in the need to improve the fire safety of rural settlements due to their mass development with residential buildings that are highly flammable. Fires in rural settlements are characterized by rapid spread of fire through residential buildings and are often widespread. The determination of the fire hazard indicators of banana tree leaves is necessary for conducting mathematical modeling of the development of a fire at the above-mentioned protection facilities, which can result in the acquisition of data on the concentration of hazardous substances that affect the timely evacuation of residents, the heat flux intensity of a burning structure, in order to prepare subsequent recommendations for establishing fire-resistant distances between residential buildings, the placement of fire-resistant barriers that limit the spread of fires, and the prediction of the toxicological situation.
fire, rural settlement, fire hazard, banana tree leaves
Введение
В настоящее время основная часть населения Вьетнама (62 млн. жителей) проживает в сельской местности и занимается в основном сельским хозяйством - выращиванием растений, птиц, животных, заготовкой строительных материалов, а также различными иными видами деятельности[1]. Для постоянного проживания, жители сельских поселений провинций Вьетнама строят жилые строения из природных материалов, которые могут заготавливать собственными силами [2]. Ввиду того, что жилые строения построены из природных материалов, таких как древесина, ротанг, листья бананового дерева являются объектами с высокой пожарной опасностью [3]. Множество сельских поселений расположены в труднодоступных районах провинций Вьетнама, что, несомненно, влияет на своевременность прибытия подразделений пожарной охраны в случаях возникновения пожаров [4]. Дороги в сельских поселениях уездов провинций Вьетнама, в большинстве своем, не имеют твердого покрытия, что затрудняет доставку личного состава и технических средств борьбы с ним, также проблематично использовать источники противопожарного водоснабжения при организации работ по тушению пожаров [5]. Вышеуказанные проблемы приводят к массовым пожарам жилых строений с каскадным развитием по территории сельских поселений [6]. Для исследования проблематики возникновения и распространения пожаров в жилых строениях необходимо провести анализ веществ и материалов, применяемых в строительстве объектов защиты и обиходе местного населения с точки зрения их пожарной опасности.
Важно отметить, что в настоящее время отсутствуют показатели пожарной опасности листьев бананового дерева, применяемых местным населением для возведения кровли жилых строений, что, несомненно, влияет на изучение особенностей развития пожаров исследуемых объектов защиты [7]. В научной статье представлены описания экспериментов и результатов, полученных лабораторным путем на установках ВНИИПО МЧС России и Академии ГПС МЧС России (далее - Академия) [8].
На Рис.1 представлено лабораторное оборудование Академии, позволяющее провести исследование пожароопасных свойств различных материалов, применяемых в строительстве.
Рис.1. Лаборатория Академии
Общий вид лабораторного оборудования для проведения исследований пожароопасных свойств веществ и материалов (а); проведение экспериментов по исследованию пожароопасных свойств листьев бананового дерева (б)
Лабораторная установка разработана учеными Академии России (Сулейкин Е.В, Акперов Р.Г, Пузач С.В.) и имеет патент на полезную модель [9]. В отличие от традиционных методов проведения исследований, использование лабораторной установки позволяет:
- на основе полученных выходных данных осуществить классификацию материалов по уровню пожарной опасности;
- расширить базу данных горючей нагрузки веществ и материалов, используемых в различных отраслях производства и строительства;
- применить полученные показатели пожарной опасности исследуемого материала в дальнейших исследованиях динамики развития пожара во времени.
На Рис.2 представлено схематичное устройство лабораторной установки, применяемой в исследованиях пожарной опасности листьев бананового дерева.
Рис.2. Устройство лабораторной установки Академии
1 – камера сгорания установки, 2 – экспозиционная камера, 3 – переходной рукав из камеры сгорания в экспозиционную камеру, 4 – электронагреватель (ТЭН) с системой водяного охлаждения; 5- держатель исследуемого образца материала, 6- шиберные отверстия; 7- весы для измерения потери массы образца; 8- дверца экспозиционной камеры; 9- дверца со смотровым окном камеры сгорания, 10 – вентилятор установки, 11- перегородка переходного рукава
Камера сгорания лабораторной установки соединена с экспозиционной камерой посредством переходного рукава. Рост температуры в камере сгорания установки происходит за счет электронагревательного прибора (ТЭНа), для защиты от перегрева используется дополнительное устройство охлаждения (водяная рубашка). В камере сгорания установки установлен держатель для исследуемых образцов, соединенный с весами и передающий показатель изменения массы исследуемого материала в процессе проведения экспериментов.
Стоить отметить, что применяемая в экспериментальных исследованиях лабораторная установка может работать в 2 схемах пожара (замкнутой (закрытой) и открытой). Открытая схема работы установки воссоздаёт приток кислорода в камеру сгорания, имитируя открытые проёмы в помещениях. Данная схема более приближена к реальным условиям пожара. Закрытая схема исключает газообмен с внешней средой. В этих условиях воссоздаётся горение веществ и материалов в начальной стадии пожара до момента разрушения проёмов. Исходя из этого, значения, полученные при данной схеме, используются для прогнозирования опасных факторов пожара, к которым относятся:
- концентрация газов в объёмных долях, входящих в состав продуктов горения;
- удельная массовая скорость выгорания;
- температура в объеме экспозиционной камеры;
- удельное образование токсичных газов;
- удельное потребление кислорода;
- оптическая плотность дыма.
Методика проведения экспериментальных исследований по определению параметров пожарной опасности листьев бананового дерева
Экспериментальные исследования проводятся в условиях закрытой схемы пожара, исключающей газообмен с окружающей средой. Использование закрытой схемы работы установки позволяет моделировать условия горения исследуемого образца материала-листьев бананового дерева на начальном этапе развития пожара. Полученные в ходе эксперимента данные применяются для прогнозирования опасных факторов пожара [10].
Первый этап исследований состоит в подготовке экспериментальных образцов исследуемого материала. Заблаговременно, не менее чем за 12 часов до начала экспериментальных исследований нарезаются образцы, материалы, которые затем кондиционируются при комнатной температуре (20оС). Для получения точных результатов образцы исследуемого материала должны быть чистыми, без сторонних загрязнений. Пример исследуемого образца – листьев бананового дерева представлен на Рис.3.
Второй этап – подготовка лабораторного оборудования. Перед проведением лабораторного эксперимента необходимо включить вентиляцию, водяное охлаждение нагревательного элемента установки и персональный компьютер, с установленным программным обеспечением GasVision ver.7.3.7 и RsWeight ver.5.40 для обработки полученных показателей.
Рис.3. Пример образца –листьев бананового дерева для исследования на установке
Перед проведением лабораторных исследований продувается газоанализатор фирмы Drager, при необходимости производится замена фильтров грубой и тонкой очистки, после чего, с использованием гибких силиконовых трубок через фильтры газоанализатор подключается к экспозиционной камере для забора гозообразных продуктов термического разложения исследуемого образца материала. Весы и газоанализатор подключаются к персональному компьютеру для регистрации количественных данных во времени исследуемого образца с помощью вышеуказанных программ (Рис.4).
Рис.4. Подготовка лабораторного оборудования перед проведением экспериментальных исследований пожарной опасности листьев бананового дерева
Установка запитывается от электрической сети (220 В), включается блок управления нагревательного элемента, на котором выставляется температура в 635 °С при тепловом потоке 35 кВт. После проведенных действий необходимо дождаться нагрева излучателя до заданной температуры (Рис.5)
Рис.5. Нагрев излучателя лабораторной установки до заданной температуры
Третий этап. Помещаем вкладыш для образца исследуемого материала, выполненный из фольги, в камеру сгорания на подвижный держатель, установленный на весах и обнуляем весы (для учета только фактической массы материала). Далее закрываем заслонку вентиляции экспозиционной камеры лабораторной установки и помещаем в камеру сгорания заранее взвешенный образец материала-листьев бананового дерева (рисунок 6). Одновременно с проведенными действиями запускаются программы GasVision ver.7.3.7 и RsWeight ver.5.40 и начинается фиксирование значений выделяемых веществ газоанализатором с выводом на экран персонального компьютера. Образец из листьев бананового дерева нагревается в камере сгорания, постепенно происходит его термическое разложение, при этом выделяемые газообразные продукты горения вещества через переходный рукав лабораторной установки попадают в экспозиционную камеру.
Рис.6. Проведение экспериментального исследования по определению пожарной опасности материала
Загрузка в камеру сгорания образца исследуемого материала -листьев бананового дерева (а), горение исследуемого материала – листьев бананового дерева в камере сгорания (б)
Затем происходит забор газообразных продуктов горения при термическом разложении исследуемого материала с помощью газоанализатора и регистрируются значения концентрации CO (mg/m3), СО2 (mg/m3), HCN (mg/m3), О2 (%).
Из экспозиционной камеры лабораторной установки происходит забор газообразных продуктов горения газоанализатором Drager. Газоанализатор подключен к персональному компьютеру, где в режиме реального времени, с периодичностью в 3 секунды регистрируются следующие значения (Рис.7):
- концентрации газов;
-среднеобъемной температуры в экспозиционной камере T (°С);
- изменение массы исследуемого образца при проведении испытаний, Δm (г).
Эксперимент завершается, когда происходит остановка изменения массы образца на весах установки, что обозначает его полное выгорание либо при стабилизации фиксируемых значений газоанализатором.
После каждого испытания установка приводится в исходное состояние и проверяется. Если испытание проводится на нескольких образцах необходимо между каждых испытаний проветривать установку в течение не менее 30 минут, продувать газоанализатор и соединительные трубки, по которым осуществляется забор воздуха из камеры.
Рис.7. Регистрация концентрации газообразных продуктов горения при термическом разложении исследуемого материала с помощью газоанализатора Drager
Лабораторное исследование завершается при прекращении изменения массы исследуемого образца материала. В процессе воздействия температуры на исследуемый образец в камере сгорания лабораторной установки происходит его полное выгорание. Каждый эксперимент проводится несколько раз в заранее подготовленной лабораторной установке после проветривания установки и продувки газоанализатора.
Результаты проведения испытаний образцов листьев бананового дерева
По разработанной методике, с использованием лабораторной установки проведен ряд испытаний образцов материала - листьев бананового дерева. В процессе экспериментов регистрировались следующие газы, выделяемые (потребляемые) в результате термического разложения исследуемого материала:
- монооксид углерода CO (kg/m3);
- циановодород HCN (kg/m3);
- диоксид углерода СО2 (kg/m3);
- кислород О2 (%).
Исследования показали, что особую опасность, влияющую на жизнь и здоровье человека, представляют оксид углерода (СО) и циановодород (НСN).
Отметим, что перед началом проведения экспериментов образцы листьев бананового дерева предварительно были подготовлены, нарезаны, взвешены и кондиционировалось в помещении при комнатной температуре 20 °С в течении 12 часов.
Для получения достоверных результатов лабораторные исследования проводились в несколько этапов. На первом этапе подбиралась масса необходимой навески листьев бананового дерева (Рис.8).
Рис.8. Подготовка образцов исследуемого материала для проведения лабораторных исследований
Навеска весом 3,048 г. (а), навеска весом 2.904 г. (б)
В результате пробных лабораторных испытаний опытным путем были исследованы образцы листьев бананового дерева массой 10, 5, 4 и 3 грамма. Наиболее подходящей навеской исследуемого материала стала масса листьев бананового дерева в 4 грамма, при которой были получены значения, пригодные для последующей обработки (Рис.9).
Рис.9. Проведение лабораторных исследований пожарной опасности листа бананового дерева
Загрузка образца в камеру сгорания установки (а), падение массы листьев бананового дерева при термическом разложении (б и в)
На рисунке 10 представлена регистрация полученных данных газов, выделяемых при термическом материала разложении листьев бананового дерева при использовании газоанализатора Drager, персонального компьютера с установленным программным обеспечением GasVision ver.7.3.7 и RsWeight ver.5.40.
Рис.10. Регистрация концентрации газов: монооксида углерода CO (kg/m3), циановодорода HCN (kg/m3), диоксида углерода СО2 (kg/m3) (а) и определение концентрации кислорода О2 (%) (б)
При анализе продуктов горения определяют количественный выход таких веществ, как оксид углерода (CO), диоксид углерода (CO2), цианистый водород и другие соединения, исходя из состава материала.
Важно отметить, что удельный коэффициент выделения CO в каждый момент времени определяется по формуле:
где, V – внутренний объем установки, м3;
Ψ - массовая скорость выгорания горючего материала, кг/с;
dt - время, с.
В процессе термического разложения испытуемого материала происходит снижение веса образцов, с образованием остатков вещества (пепла) массой порядка 0,5 грамм (Рис.11).
Рис.11. Остатки (пепел) испытуемых образцов листьев бананового дерева после завершения экспериментов
В результате проведенной серии лабораторных экспериментов получены:
- зависимости удельных коэффициентов образования и плотности диоксидауглерода - СO2, оксида углерода CO (угарный газ), циановодорода - HCN отвремени при термическом разложении листьев бананового дерева (Рис.12);
Рис.12. Зависимости удельных коэффициентов образования СO2(а), CO(б), HCN(в)
Зависимости удельных коэффициентов плотности газов СO2(г), СO(д), HCN(е) от времени при термическом разложении
- зависимости потери массы образца от времени при термическом разложении листьев бананового дерева, разности масс образцов материала последующих от предыдущих от времени испытания, удельной массовой скорости газификации (yyд, кг/ (м2 с) горючего материала от времени с начала горения (Рис.13).
Рис.13. Зависимости удельных коэффициентов потери массы образца от времени при термическом разложении образцов (а),
зависимость разности масс образцов материала последующих от предыдущих от времени испытания (б), удельной массовой скорости газификации (Ψyд, кг/ (м2 с) горючего материала от времени с начала горения (в)
Обобщенные результаты проведенных лабораторных исследований при термическом разложении листов бананового дерева представлены в Таблица.
Таблица. Обобщенные результаты лабораторных исследований
|
Эксперимент |
Параметры, полученные при лабораторных экспериментах |
|||
|
Удельная массовая скорость выгорания, кг/м2с |
Выделение оксид углерода (СО2), кг/кг |
Выделение монооксид углерода (СО), кг/кг |
Выделение циана (HCN) кг/кг |
|
|
1 |
0,0040 |
1,279 |
0,150 |
0,00129 |
|
2 |
0,0045 |
1,294 |
0,157 |
0,00119 |
|
3 |
0,0042 |
1,287 |
0,164 |
0,00129 |
|
Среднеарифметические значения |
||||
|
|
0,0042 |
1,286 |
0,157 |
0,00125 |
Выводы лабораторных исследований
Применяемая при проведении натурных экспериментов лабораторная установка позволила получить и обработать показатели концентрации токсичных продуктов, выделяемых при термическом разложении испытуемого материала - листьев бананового дерева, необходимых для дальнейшего моделирования развития пожара в жилых строениях высокой пожарной опасности сельских поселений Вьетнама. В результате проведенной серии экспериментов получены концентрации токсичных газов (CO, HCN), а также концентрация СO2 и O2 , тепловой поток и температурные показатели при горении (тлении) образцов листьев бананового дерева, что позволило проследить динамику процесса горения и разложения исследуемого материала.
Экспериментально проведенные по методике испытания образцов листьев бананового дерева показали возможность получения зависимостей удельных коэффициентов образования газов и плотности оксида углерода, диоксида углерода и циановодорода от времени термического разложения. В процессе проведения экспериментов зафиксирована динамика потери массы образца и изменения температуры.
Выполненные исследования пожарной опасности листьев бананового дерева пополнят базу данных пожарной нагрузки и позволят выполнить достоверное моделирование пожара объектов жилого строительства Вьетнама, с участием листьев бананового дерева.
1. Chan, D. C., Fogilev, I. S. On the study of the fire situation in cities and rural settlements of Vietnam/ Collection of materials of the XII International Scientific and Practical Conference of young scientists and specialists "Problems of Technosphere Safety - 2023". Moscow: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2023. Pp. 40-44.
2. Chan, D. C., Fogilev, I. S. The impact of the development of rural settlements in Vietnam on the state of fire safety of settlements/ Collection of papers for the XXXIV International Scientific and Practical Conference "Prevention. Rescue. Assistance". Moscow: Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2024. Pp. 183-189.
3. Chan, D. Ch., Fogilev, I. S., Mironenko R.V. The influence of rural settlement development in Vietnam on the spread of fires and ways to limit them / Scientific journal "Technosphere Safety Technologies" Moscow: Academy of GPS of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2024. – № 4(106). – Pp. 110-126. DOI: https://doi.org/10.25257/TTS.2024.4.106.110-126
4. Chan, D. Ch., Fogilev, I. S., Androsenko S.G. On the issue of the state of road transport infrastructure in rural areas of the province of Vietnam during the response of fire and rescue units to the place of call/ Collection of materials of the VIII International Scientific and Practical Conference dedicated to the World Civil Defense Day "Civil Defense on guard of peace and security." Moscow: Academy of GPS of the Ministry of Emergency Situations Russia, 2024. From 39-43. EDN: https://elibrary.ru/RGISZT
5. Chan, D. C., Fogilev, I. S., and Androsenko, S. G. On the Organization of Fire Water Supply in Vietnam / Collection of Materials of the IX International Scientific and Practical Conference. "Fire Fighting: Problems, Technologies, and Innovations" Moscow: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2024. pp. 181-188.
6. Chan, D. C., Fogilev, I. S. Mass Fires of Residential Buildings in the Rural Areas of Vietnam/ Modern Problems of Safety Assurance, Collection of Materials of the XXVI International Scientific and Practical Conference. Yekaterinburg, 2024. Pp. 114-119. EDN: https://elibrary.ru/PAAHXI
7. Chan, D. C. Prevention of cascading fire development in remote rural settlements of Vietnam by fire brigades and volunteer firefighters / D. C. Chan, I. S. Fogilev // Technosphere Safety. – 2025. – No. 2(47). – Pp. 24-37. – EDN NVBAVD.
8. Chan, D. Ch. Determination of the Smoke Formation Coefficient during the Combustion (Smoldering) of Banana Tree Leaves/ Materials of the Thirty-Fourth International Scientific and Technical Conference "Security Systems – 2025": in 2 parts. Part 1. – Moscow: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2025. 264-267 p.
9. Russian Federation Utility Model Patent No. 174688. Installation for determining the fire hazard of condensed materials during their thermal decomposition / patent holders: Suleikin E.V., Akperov R.G., Puzach S.V.; application 20.04.2017; registration 26.10.2017; Bulletin No. 30-2017.
10. Puzach S. V., Doan V.M., Nguyen T.D., Suleikin E.V., Akperov R.G. Education, distribution and human exposure to toxic combustion products in case of fire in the room. Gorenje Monograph / edited by S. V. Puzach. // Moscow: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2017. p. 130.
