Palofysiikan lyhyt oppimäärä

Teksti on julkaistu alunperin Satakunnan pelastuslaitoksen blogissa 10.8.2015

Johdanto

Pitkän harkinnan jälkeen päätin viime keväänä hakea alipäällystökurssille pelastusopistoon. Hakukaavakkeiden postittamisen jälkeen ryhdyin valmistautumaan ohjeiden mukaisesti pääsykokeisiin. Luvassa oli fyysisten ja psyykkisten testien lisäksi teoriakoe, jota varten piti lukea johtamiseen, turvallisuusviestintään ja palofysiikkaan liittyvät kirjat. Palofysiikan pääsykoekirja olikin tuttu jo pelastajakurssilta ja löysin vielä vanhan opuksen kirjahyllystä. Se oli kyllä ohjeissa mainittua teosta vanhempi painos (enemmän tekstiä, vähemmän kuvia, ei värejä), mutta ajattelin etteivät kai fysiikan lait reilussa kymmenessä vuodessa ole kovasti muuttuneet.

Oli melkein nostalgista lueskella vuosien takaa tuttua kirjaa uudelleen. Marginaaliin tehdyistä piirustuksista ja merkinnöistä pystyi päättelemään nuoren pelastajaoppilaan fiiliksiä. Välillä kiinnostus oli ollut käsiteltävässä aiheessa ja toisinaan piirustuksista päätellen ajatukset olivat olleet luokkahuoneen ulkopuolella. Nyt vuosien työkokemuksen jälkeen kirja näyttäytyi jotenkin uudessa, paljon kiinnostavammassa valossa, ja sitä lukiessani sain ajatuksen, että aiheestahan olisi perusteltua poimia jotain kohtia myös tänne Satapelastuksen blogiin – teema liittyy läheisesti palomiehen ammattiin, eikä kenellekään ole pahitteeksi tuntea (tai kerrata) palofysiikan tärkeimpiä perusteita. Teksti on siis tarkoitettu kaikille.

Fysiikan ja kemian oppikirjat eivät yleensä ole niitä helpoimmin ymmärrettäviä, joten seuraavat seitsemän pointtia palofysiikasta pyrin suomentamaan niin selkokieliseksi että mummonikin ne ymmärtäisi.

Palaminen

Palaminen on aineen yhtymistä happeen eli hapettumista. Kun tämä kemiallinen reaktio tapahtuu riittävän nopeasti, muodostuu siinä lämpöä ja valoa. Lämpö vapauttaa polttoaineesta lisää palavia kaasuja pyrolyysi-nimisen tapahtumaketjun kautta. Aine siis hajoaa lämmön vaikutuksesta palamiselle paremmin sopivaan kaasumaiseen muotoon ja näkyvä liekkipalo onkin aina kaasumaisessa muodossa olevan aineen palamista.

Kun aineen yhtyminen happeen tapahtuu hitaasti, ei reaktiossa synny korkeaa lämpötilaa eikä valoa. Esimerkkejä tällaisista ilmiöistä ovat raudan ruostuminen ja puun lahoaminen. Hidaskin hapettuminen kuluttaa siis happea, mikä on tärkeää huomioida, jos joutuu käymään tilassa, jossa on paljon ruostetta. Kerrotaan, että merimiehiä on jopa kuollut hapenpuutteeseen heidän mentyään sisälle tiiviiseen ja tuulettamattomaan tilaan, jossa laivan ruostuvaa ankkuriketjua on säilytetty.

Palamisen edellytyksiä ovat happi, lämpötila ja syttyvä aine (lisäksi liekkipalossa häiriintymätön ketjureaktio).

Palokuorma

Mitä enemmän rakennuksessa on palokuormaa, sitä rajumpi tilassa mahdollisesti syttyvä tulipalo on. Esimerkiksi kerrostalojen häkkivarastoissa ja autotalleissa on usein paljon irtaimistoa (autonrenkaita, vaatteita ja huonekaluja) ja niiden paloissa lämpötila nouseekin todella korkeaksi ja samalla muodostuu tietysti runsaasti savua. Sellaiset tilat joissa on normaalikäytössä paljon palokuormaa, rakennetaan yleensä erilliseksi palo-osastoksi. Palo-osaston rakenteet on suunniteltu kestämään paremmin tulipaloa, mutta paksuista seinistäkään ei ole hyötyä, jos palo-osaston ovi on kiilattu auki.

Ihmisten kannalta tulipaloissa vaarallisinta on savu, koska se on sekä kuumaa että myrkyllistä. Lisäksi se heikentää näkyvyyden, mikä vaikeuttaa uloskäynnin löytämistä. Savun määrä on verrannollinen palokuorman määrään, joskin aineen laatu myös vaikuttaa asiaan. Tavallisen kokoisessa huoneessa näkyvyys pienenee yhteen metriin, kun huoneessa palaa jokin seuraavista ainemääristä:

• 1 kg puuta,
• 1kg polyuretaanivaahtoa
• 0,6 l petrolia
• 200 g vaahtokumia
• 140 g polystyreenivaahtoa

Rakennusten nurkkiin ei siis kannatta turhaan tavaraa. Ylimääräiset tavarat kulkureiteillä paitsi lisäävät palokuormaa, ovat lisäksi riski myös poistumisturvallisuuden kannalta!

Aineiden palovaarallisuus

Palamisnopeus, lämpöarvo ja syttymislämpötila ovat arvoja, joita tutkailemalla saamme tietoa kiinteiden aineiden palovaarallisuudesta. Herkästi syttyvä ja nopeasti suurella kuumuudella palava aine on palovaarallinen, eikä sellaista tulisi säilyttää paikassa, jossa on suuri syttymisen riski. Syttyvien nesteiden kohdalla palovaarallisuutta kuvaa parhaiten leimahduslämpötila. Se tarkoittaa lämpötilaa, jossa nesteestä erottuu niin paljon höyryä, että se voi syttyä ulkoisen sytyttimen, esimerkiksi kipinän, vaikutuksesta. Mainittakoon että esimerkiksi bensiinin syttymislämpötila on 400 – 530 astetta, mutta leimahduslämpötila alle -40.

Bensiinin leimahduksesta saamme aasinsillan palomiehen työturvallisuuden kannalta tärkeään asiaan nimeltä;

Syttymisraja

Jotta kaasun, nesteen höyryn ja/tai pölyn palaminen on mahdollista, on niiden muodostettava seos ilman kanssa (1 palamisen edellytyksistä on happi, kuten jo muistatte). Tällaiset seokset syttyvät ja palavat vain tietyllä pitoisuusalueella, jota kutsutaan syttymisväliksi. Mitä keskemmällä niin sanottua syttymisväliä seos on, sitä suurempi on seoksen palamisnopeus. Jos seos on syttymisrajojen ulkopuolella – joko liian laiha (paljon ilmaa, vähän syttyvää ainetta) tai liian rikas (vähän ilmaa, paljon syttyvää ainetta) – se ei syty ollenkaan.

Nykyään kun talot on rakennettu erittäin tiiviiksi voi huoneistopalossa käydä niin, että palaminen kuluttaa tilasta kaiken hapen. Tällöin palo hiipuu, koska kaasuilmaseos on liian rikas. Palomiehen on osattava lukea ”tulipalon merkkejä”, sillä tällainen vaarattoman näköinen tilanne voikin olla todella vaarallinen. Oven aukaiseminen saa ilmaa virtamaan kuumaan rakennukseen ja kun savupatjaan sekoittuu ilmaa, syttyy tulipalo uudelleen. Jos tilassa ei ole enää liekkejä ja lämpötila on laskenut alle syttymislämpötilan, saattaa ilma ja savukaasupatja sekoittua täydellisesti (pitoisuus keskellä syttymisväliä), jolloin pienikin kipinä voi aiheuttaa hengenvaarallinen humahduksen.

Palon (lämmön) leviäminen

Palo leviää normaalisti lämmön siirtymisen välityksellä. Lämmön siirtymismallit ovat: johtuminen, säteileminen ja kuljettuminen.

Johtuminen tarkoittaa lämmön siirtymistä aineessa molekyylien värähtelynä lämpimämmästä kohdasta kylmempään. Mitä tiheämpää aine on, sitä paremmin se yleensä johtaa lämpöä. Lämmön johtuminen esimerkiksi metalliseinän läpi voi aiheuttaa palon seinän takana, vaikka palavaa ainetta ei siirry seinän taakse.

Kuljettuminen on lämmön siirtymistä kaasu- tai nestevirtauksen tai liikkuvan kappaleen mukana. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että palossa kuumentuneet kaasut tai virtauksen lennättämät kekäleet voivat sytyttää kohteita kaukanakin alkuperäisestä palopesäkkeestä. Huoneistopaloissa muodostuva ylipaine aiheuttaa kuuman savun virtaamisen ympärillä oleviin tiloihin, jolloin palo leviää. Siksi palavan tilan oven sulkeminen on erittäin tärkeää.

Lämpösäteily on puolestaan sähkömagneettista säteilyä, joka etenee valon nopeudella ja muuttuu jälleen lämmöksi kappaleen pinnassa. Jokainen juhannuskokon äärellä seissyt tietää, miltä lämpösäteily tuntuu kasvoilla. Säteily voi lähellä sytyttää kappaleita palamaan, mutta etäisyyden kasvaessa ja esteiden vaikutuksesta sen teho heikkenee.

Sammuttaminen

Palo sammuu kun vähintään yksi palamisen edellytyksistä poistetaan.

Yksi palokunnan yleisimmin käyttämistä sammutusmenetelmistä on lämmön poistaminen eli jäähdytys. Palavan aineen lämpötilan laskiessa pyrolyysi heikkenee, jolloin ei enää muodostu riittävästi syttyviä kaasuja palamista ylläpitämään. Jäähdyttämistä voidaan tehdä esimerkiksi suihkuttamalla paloon vettä ja/tai poistamalla palavasta tilasta savua ja lämpöä.

Palamisilman happipitoisuuden alentamista kutsutaan tukahduttamiseksi. Kun palava aine eristetään ilmasta, saadaan palotilan happipitoisuus laskemaan. Useimmat liekkipalot sammuvat kun ilman happipitoisuus laskee 12 – 15 %:iin. Tyypillisin esimerkki tukahduttamisesta on sammutuspeitteellä sammuttaminen, mutta happi voidaan syrjäyttää myös niin sanotuilla inerttikaasuilla (esim. typpi ja hiilidioksidi).

Palavan tai syttyvän aineen poistaminen on sammutusraivausta. Raivauksen jälkeen liekeille ei ole enää polttoainetta, jolloin paloteho heikkenee. Jos esimerkiksi palavan nuotion puut potkitaan erilleen, nuotion tuli hiipuu ja makkarat jää paistamatta. Käytännössä raivausta suoritetaan myös siksi, että palokohteeseen päästäisiin paremmin käsiksi. Raivaus on omien kokemusteni mukaan sammutuksessa raskain työvaihe.

Vedenkuljetus ja sammutussuihku

Vesi on yleisin palokunnan käyttämistä sammutteista. Se on tehokas ja luontoystävällinen aine, jota on meillä helposti saatavilla. Veden haittapuolina on sen sähkönjohtavuus ja jäätyminen. Jäätyessään vesi laajenee hieman, mikä on aiheuttanut useiden pumppujen ja säiliöiden rikkoontumisen.

Veden pääasiallinen sammutusvaikutus on jäähdytys, mutta höyrystyneellä vedellä on huoneistopalossa myös tukahduttava vaikutus. Sammutussuihkulla vesi rikotaan pieniksi pisaroiksi, jotka sitovat lämpöä tehokkaasti. Yhdestä litrasta vettä muodostuu 1700 litraa 100 asteen lämpöistä vesihöyryä, mikä tarkoittaa että vastaava määrä ilmaa ja savua syrjäytyy huoneistopalossa. Nopean höyrystymisen vuoksi vesi ei sovi rasvapalon sammuttamiseen, sillä nopeasti laajentuva vesihöyrypilvi heittää palavan rasvan ympäriinsä.

Jokaisen palomiehen on tunnettava letkujohdoilla tapahtuvaan vedenkuljetukseen liittyvät laskentakaavat. Varsinkin konemiehenä on osattava huomioida letkukitkat, nousuhäviöt, laskuvoitot sekä suihkupaine, kun palopumpun kierroksia säädetään sopivaksi. Ei tilannepaikalla kuitenkaan taskulaskimia tarvitse kaivaa esiin, vaan käytössä on niin sanotut nyrkkisäännöt.

Tutkimustyön perusteella on määritelty eri rakennusten sammuttamiseen tarvittava vesivirta. Taulukoiden mukaan esimerkiksi 300 m2 maalaamon palossa sammuttamiseen tarvitaan vettä noin 60 litraa sekunnissa. Sammutusauton säiliössä vettä on yleensä noin 3000 litraa, eli riittävällä vesivirralla säiliöstä riittäisi vettä alle minuutiksi. Jotta palo saadaan sammumaan pitää kohteeseen tuoda vettä säiliöautoilla tai palovesiverkoston kautta. Alkuvaiheessa on järkevämpää käyttää sammutusauton 3000 litraa palon leviämisen rajoittamiseen. Vettä voidaan ottaa myös luonnon vesilähteistä. Esimerkiksi tänä kesänä saimme yhteen rakennuspaloon lisäveden moottoriruiskun avulla suoraan merestä.

Silloin ei ainakaan vesi loppunut kesken…


Mikko Puolitaival


Lähde:

Hyttinen, V., Palofysiikka. 2008. SPEK