A tűz jellemzői

Az égés és a tűz

Az égés során számos fizikai és kémiai reakció játszódik le egyidejűleg. Az égés feltétele, hogy éghető anyag, megfelelő koncentrációjú oxigén, gyújtóforrás legyen egy időben, egy helyen. Alapjában gyors lefolyású oxidációs folyamatról beszélünk, amelyben az éghető anyag oxigénnel egyesül, égéstermékek keletkeznek, hő és fény szabadul fel. Tűzjellemzőknek hívjuk a tüzet kísérő, annak következményeként megjelenő, jól mérhető fizikai és kémiai jelenségeket. A tűz jellemzői, azok megfigyelése és érzékelése a hatékony tűzjelzés első lépése. Bizonyára Önnek is vannak ismeretei, tapasztalatai a tűzzel kapcsolatban, de reméljük, hogy rövid összefoglalónkban talál újdonságot, érdekes tényeket.

Az égés fajtái

Égési sebesség alapján:

Égés neve	Terjedési sebesség tartomány	Égés típusa
Lassú égés	mm/s	izzás
Normál égés	cm/s	szilárd anyagok lánggal égő tüze
Gyors égés	dm/s	éghető folyadékok tüze
Robbanás, detonáció	m/s	éghető porok, gázok, gőzök, ködök robbanása

Égéstermék alapján:

Tökéletes égéstermék	Tökéletlen égéstermék
Az égési folyamat során keletkezett égéstermékek általában stabil kémiai szerkezetűek, további reakcióra, oxidációra nem képesek.	Amikor az égési folyamatokban nincs jelen elég oxigén, tökéletlen égéstermék keletkezik. Ezek további reakcióra képesek, ezért fokozottan tűz- és robbanásveszélyesek.

Az éghető anyag és az oxigén eloszlása alapján:

Kinetikus (kevert) égés	Diffúz égés
Amikor az éghető anyag és az oxigén a begyulladás előtt egyesül, igen gyorsan kialakul az égés, gyakran robbanás vagy detonáció formájában. Gázok, gőzök, porok égésére jellemző.	Az éghető anyagot körülveszi az oxigén, de nem keveredtek össze. A találkozási felületen keletkező égés a diffúzió sebességétől függ. Folyadékok felületi égésére és a szilárd anyagokra jellemző folyamat.

Az égés során szemmel látható jellemzők alapján:

Lánggal égés	A diffúz égés során az éghető anyag felületén történő égés tökéletes, de az anyag belseje felé az oxigénhiány miatt tökéletlen. Ebben a zónában az anyagrészek hő-és fénysugárzás formájában adják le a kapott energiamennyiség egy részét. A láng erőssége az oxigénmennyiségtől függ.
Parázzsal égés	Azok az anyagok égnek parázslással, amelyek a gyulladási hőmérsékletük alatt nem szenvednek termikus bomlást. Az éghető anyag felületén felhevült részecskék a kapott energia egy részét hő-és fénysugárzás formájában sugározzák ki.
Vegyes égés	Az összetett anyagok alkotóelemei nem azonos hőmérsékleten gyulladnak be, így az egyik elem már hamarabb gázosodik és lánggal ég, a másik csak felületileg izzik.

Az égés fázisai alapján

Lappangó fázis	A fizikai-kémiai átalakulás még csak hő hatására következik be, éghető gázok, gőzök keletkeznek. A lappangó fázis több óráig, néha napokig is eltarthat, például zárlatos vezeték felmelegedett szigetelésében. Csak kis mennyiségű és koncentrációjú füst keletkezik, a szemcseméretek kicsinysége miatt alig érzékelhető. Ebben a szakaszban igen nagy érzékenységű, pl. aspirációs vagy lézeres pontszerű füstérzékelő alkalmas a detektálásra.
Füstölgő égési fázis	A hőmérséklet emelkedésével egyre több bomlástermék jelentkezik, amelyek a levegő oxigénjével reakcióba tudnak lépni. A hő emelkedése megnöveli a felhajtóerőt, ezért a keletkező füst és gáz oszlopszerűen felfele emelkedik, amíg el nem éri a mennyezetet, illetve a hőmérséklete ki nem egyenlítődik a levegőével. Ezzel a füstölgő-parázsló fázissal indulnak például az égő cigaretta okozta tüzek. A megfelelő füstérzékelők az ionizációs és optikai elven működő pontszerű vagy vonali érzékelők, melyeket a mennyezetre szerelnek.
Lángoló fázis	Az égő anyagok felhevült, parázsló eltávozó gőzök, gázok begyulladnak és lángnyelvek jelennek meg. A tűz lefolyása felgyorsul. A gyakorlati életben számos ipari területen (olaj-, gyógyszer-, nyomda-, vegyipar) alkalmaznak olyan éghető gázokat (metán, propán, hidrogén, stb), folyadékokat (alkohol, benzin, oldószerek, higítók, stb) vagy festéket és más vegyi anyagot, amelyeknek a tüze azonnal lángoló fázissal indul. A lángoló égés során keletkező energia nemcsak hőenergia, hanem kb. 30-40 %-a elektromágneses sugárzás formájában távozik, melynek döntő része az UV és IR tartományba esik. A lángérzékelők ezekben a hullámhossz tartományokban hatékonyak, igen gyors és nagy távolságú észlelésre képesek.
Hőfelszabadulási fázis	A felszálló füst- és gázréteg szétterül a helyiség mennyezete alatt, majd miután kitöltötte a szobát, lefelé süllyed. A mennyezeti rétegben felhalmozódnak a tökéletlenül elégett gázok, amelyek a hőmérséklet növekedésével begyulladhatnak. A hőmérséklet a falakról visszavert hőtől is emelkedik (szobahatás), ezért az első lángok megjelenése után a tűz néhány percen belül eljut a lángbaborulási fázisba. Az áramlással terjedő hő érzékelésére vonali vagy pontszerű hőérzékelőket használnak, de ezek leginkább a tűz közelében hatásosak.

Különböző halmazállapotú anyagok égési jellemzői

Gázok égése:

A gázok levegővel való keveredésekor bizonyos koncentráció-határok között képesek meggyulladni, ekkor kinetikus (vegyes) égés lép fel. Diffúz égés keletkezik, ha a gáz és a levegő találkozási felületén lép fel a reakció, amit az oxigén táplál. A gázok égése intenzív sugárzású, lángjelenséggel járó folyamat.

Folyadékok égése:

Az éghető folyadékok tűzveszélyességére jellemző a lobbanáspont, amit elérve a folyadék felszíne feletti gőz belobban. A folyadékok égésére a diffúz égésforma jellemző, továbbá a lánggal égés, gyors hőtermelődés és a magas füstkoncentráció.

Szilárd anyagok égése:

A szilárd anyagok esetén a gyulladáspont mutatja az anyag tűzveszélyességét. Az égés folyamatát szakaszokra bonthatjuk: felmelegedés, termikus bomlás, az égés terjedése. A folyamat során éghető és nem éghető bomlástermékek keletkeznek, ezek főként gáz halmazállapotúak. Az égés első szakaszában alacsony a hőtermelődés, de elegendő ahhoz, hogy a füstöt kijuttassa a tűztérből.
A szilárd anyagok nemcsak tömbös formában, hanem porként is előfordulnak, akár a levegővel elkeveredve, akár a földön leülepedve. A porok égésére a kinetikus égésforma jellemző; előbb parázsló, majd lángoló égéssel megy végbe a folyamat.

A tűz fizikai következményei

A tűz detektáláshoz szükségünk van valamilyen módon mérhető változókra, amelyek alapján az tűzjelző automatika felismerheti a tűz jelenlétét. Lényeges, hogy minél korábban felismerhetőek legyenek ezek a jelek, ellenben más hasonló tényezővel ne legyenek összetéveszthetők (pl. gyufaláng vagy a tűzhely lángja). Tűzjellemzőknek nevezzük az az éghető anyag energiaváltozásait és anyagváltozásait. Nézzük meg, melyiket változót hogyan vizsgálják a tűzérzékelők:

Energiaváltozások:

Hangenergia
Az égések során keletkező hanghatások detektálása kevéssé alkalmas a tüzek korai felismerésére, ezért nem használják a tűzvédelemben.

Hőenergia
Az égéshő felszabadulása energiát termel az égéstérben. Az égéshő mennyisége több tényezőtől függ, pl. az oxigénellátástól, az éghető anyag eloszlásától, az égési sebességtől, a helyiség méretétől, stb. A hőenergia mértékegysége J/kg vagy J/m³ , az tűzvédelemben leggyakrabban alkalmazott érzékelők, a hőérzékelők ezt a tűzjellemzőt mérik.
Érdekességképpen nézzünk néhány példát a felszabaduló hőenergiára (csökkenő sorrendben tüntettük fel), ki gondolná, hogy pl. a cukor ennyivel több hőt bocsát ki, mint a nyersfa:

Hidrogén	141,9 MJ/m²
Benzin	46,05 MJ/m²
Cukor	41,87 MJ/m²
Aceton	31,15 MJ/m²
Textil	20,93 MJ/m²
Nyersfa	7,15 MJ/m²

Mérhető anyagváltozások

A tűz során az égésben részt vevő anyagok bomlás és oxidáció révén átalakulnak. A keletkező anyag lehet:

szilárd halmazállapotú (pl. salak),
folyadék halmazállapotú (pl. olvadék),
gáz vagy diszperz halmazállapotú (pl. füst).

A levegőben szétoszló égéstermékek adnak lehetőséget a tűz felismerésére, ezért a tűz detektálása szempontjából a tűzaeroszolok, vagyis a gázok és a füst a legfontosabb tűzjellemzők. A füst szemcséinek mérete és a levegőben megjelenő koncentrációja fontos jellemzője a tűz fajtájának és fázisának.
A füstszemcsék mérete 10^-5 és 10^-8 m között lehet, mozgásukra inkább a hő- és a széláramlatok vannak hatással, a nehézségi erő elhanyagolható. Minél kisebb a füstszemcse mérete, annál lassabb az ülepedés, a levegő tisztulása. A füst koncentrációját kg/m³-ben vagy az egy m³-ben lévő részecskeszámmal jellemezzük, értéke széles határok között mozoghat.
A levegőben természetesen nem csupán füstszemcsék lebegnek, hanem egyéb, szintén különböző méretű szálló porok szemcséi is. Összehasonlításképpen készítettünk egy táblázatot, amely szemlélteti a levegőben szálló porok méretkülönbségét. A 100 µm-nél kisebb szemcsék belélegezhetőek, de legkésőbb a gégefőnél elakadnak; a 10 µm-nél kisebbek átjutnak a garaton a légcsőbe, a 4 µm-nél kisebbek a tüdőbe is bekerülnek, a 2,5 µm alattiak pedig már nem vagy csak alig ürülnek ki a tüdőből. Ezek alapján beszélünk PM10 és PM2,5 egészségügyi határértékekről. (PM: Particulate Matter: finomszemcsés anyag).

A füstszemcsék méretei más aprószemcsés anyagméretekhez képest

A füst terjedése

A tűz kezdeti szakaszában, amikor izzás vagy parázslás tapasztalható, lángjelenséget nem (vagy csak ritkán) észlelhetünk. A kevés termelődő hő felhajtóereje elegendő ahhoz, hogy a füstöt felemelje, kijuttassa az égéstérből. A füst a levegővel keveredve egyre ritkul, hűl és lassul. De ha a tűz erősödik, akkor több hő termelődik és a füst felfelé áramlása erősödik, intenzívvé válik.
A tűz fejlődő szakaszában a füst és más keletkező égéstermékek, pl. a gázok is, függőleges, felfelé kissé szélesedő oszlopformát alkotnak, majd a helyiség plafonját elérve szétterülnek. A füst terjedését befolyásolják a légbefúvók és a bútorzat. A felső befúvás vagy alsó elszívás megakadályozza a mennyezet alatti füstkoncentráció kialakulását, ez megnehezíti az időben történő detektálást. A szekrények, polcot, gerendázat szintén eltéríthetik a füst természetes felfelé áramlását, ezért a füstérzékelők felszerelésére különös gondot kell fordítani. Normál belmagasságú helyiségben födém iránya tereli a füstöt, a vízszintes felület alatt és a ferde (pl. tetőtéri) födém alatt is nagyjából egyenlő a füstréteg vastagsága. Továbbterjedéskor a falak mentén lefelé is áramlik a füst, mintegy körbevonja a határoló felületeket.
Nagy belmagasságú létesítményekben nem a födém akadályozza a füst felfelé terjedését, hanem az, hogy a levegő és a füst hőmérséklete kiegyenlítődik, vagyis a füst kihűl, mozgási energiája lecsökken. Ilyenkor elveszti oszlopszerű formáját, az alulról jövő meleg füst oldalirányba mozdítja el, így a füstszemcsék már nem jutnak el az 5, 7 vagy akár 20 méter magasságig. A minél korábbi detektálás érdekében a füstérzékelőket ilyen esetekben nem a mennyezetre szereljük, hanem az oldalfalakra, hiszen ott hamarabb érik el a füstszemcsék.
Passzív tűzvédelem
A tűzjelző- és oltóberendezéseken (aktív tűzvédelem) kívül a tűz megelőzésére és veszélyeinek csökkentésére is nagy figyelmet fordítanak a fejlett államok kutatásaik során.
A tűz által kiváltott katasztrófák elemzése során döbbenetes tényre derült fény. Az áldozatok nagy része nem közvetlenül a tűz miatt veszíti el életét, hanem az épületek (alagutak, repülőgépek stb.) szerelési anyagainak égése következtében termelődött mérgező füsttől. Ezek az anyagok (nagyrészt PVC-k) égésük során sűrű, fekete füstöt termelnek, melynek belélegzése is mérgező, de a meneküléshez szükséges tájékozódást is jelentősen megnehezíti. Ezért a kábelgyártók kifejlesztették a halogénmentes szigetelésű kábeleket, amelyek égésterméke nem toxikus. A tűzálló rendszerek kábelezéséről további tudnivalókat talál oldalunkon.
Az is fontos tanulsága az eddigi épülettüzeknek, hogy az acélszerkezetek tartószilárdsága 500 fokon meggyengül, e fölött pedig figyelmeztető jelek nélkül bármikor beszakadhat. Ezért a bevonatok és festékek is részévé váltak a passzív tűzvédelemnek: 30, 45 vagy 60 perces védelmet biztosítanak az adott felületnek. Amennyiben 60 percnél is hosszabb védelemre van igény, akkor tűzálló lapokat lehet alkalmazni.