Каталог

Помощь

Корзина

Механизмы прекращения горения пеной. Огнетушащая способность пен. Лекция 13

Оригинальный документ?

Механизмы прекращения горения пеной. Огнетушащая способность пен. Лекция 13

Следует выделить три основных механизма прекращения горения пеной:

1. Изоляция паров горючей жидкости от зоны горения. Например, скорость испарения бензина под слоем пены толщиной 5 см уменьшается в 30-40 раз. Вследствие этого реакционная зона обедняется горючим компонен­том. Скорость химической реакции уменьшается, тепловыделение падает. Температура зоны горения снижается до температуры потухания. Изоли­рующее действие пены зависит от ее физико-химических свойств, струк­туры, толщины слоя, а также от природы горючего материала и температуры на его поверхности.

2. Охлаждение прогретого слоя отсеком жидкости пены. Существенное значение этот механизм имеет при тушении пеной твердых горючих мате­риалов.

3. Экранизация горящей жидкости от лучистого теплового потока. Вслед­ствие низкой теплопроводности пены поступление тепла к поверхности горючего материала затруднено.

Кроме того, при тушении пеной имеет место:

- разбавление горючей смеси в зоне горения парами пенообразующего рас­твора;

- охлаждение парами воды зоны горения.

Тушение жидкости может быть достигнуто при подаче на их поверхность тонкого слоя пены, через который пары горючей жидкости смогут прорвать­ся в зону горения. Такой слой пены называется минимальным. Высоту ми­нимального слоя пены Hmin можно определить из анализа взаимодействия сил, действующих на образовавшийся под слоем пены пузырек, заполненный упругими парами горючей жидкости:

         Изображение 1

где Рп.у.- давление упругих паров горючей жидкости; dг - диаметр газовых пузырьков горючей жидкости; Формула 2п - плотность пены; Формула 3 - энергия сдвига. Это выражение характеризует изолирующую способность пены в зависи­мости  от  ее  параметров  для  случая,   когда  диаметр   газового   пузырька соизмерим с толщиной пенного слоя.

Изолирующая способность, характеризуемая значением Нmin, определяет и критическую интенсивность подачи раствора пенообразователя:   Изолирующая способность, характеризуемая значением Нmin, определяет и критическую интенсивность подачи раствора пенообразователя

Практически для быстрого и надежного тушения пожара используется нормативная (оптимальная) интенсивность подачи раствора пенообразо­вателя I которая связана с критической 1кр соотношение:   Практически для быстрого и надежного тушения пожара используется нормативная (оптимальная) интенсивность подачи раствора пенообразо­вателя I которая

Следует помнить, что для увеличения площади пожара повышается удельный расход огнетушащего средства на единицу площади, соответствен­но увеличивается и интенсивность подачи. Это объясняется тем, что происходит скопление пены в местах слива и связанное с этим ее разрушение и ухудшение распределения по площади очага горения. 

При тушении очага пожара большой площади возможности равномерного распределения пены довольно ограничены. Поэтому возникает проблема равномерного распределения пены по всей поверхности без ее перерасхода. 

Вторая причина перерасхода огнетушащего средства связана с тем, что в динамическом и статическом состоянии имеет различные физические свойства. Изолирующая способность пены, находящейся в движении уменьшается. В спокойном состоянии пена создает "уплотняющий слой". Однако переход к статическому состоянию происходит во времени (20 с).

Применение пены. По способу получения пены бывают химические и воз­душно-механические. Химические пены, образующиеся при взаимодействии кислот и щелочей в присутствии пенообразующего раствора, из-за сравни­тельно высокой стоимости и сложности организации тушения ими пожаров используются редко.

В настоящее время повсеместно используются воздушно-механические пены, для получения которых используют специальную технику. Воздушно-механические пены (ВМП) могут быть низкой кратности (3 < Кп < 20), сред­ней кратности (20 < Кп < 200), высокой кратности (Кп > 200).

Воздушно-механическая пена получается из стволов СВП, в которых используется принцип эжекции (подсоса) воздуха и перемешивания его с водным раствором. Дальность струи такой пены не менее 28 м. Она имеет ограниченное применение. ВМП низкой кратности используется для туше­ния разлитых нефтепродуктов, складов древесины и волокнистых материа­лов, так как она хорошо проникает в неплотности и удерживается на поверх­ности. 

Следует помнить, что вследствие высокой плотности существует ве­роятность погружения пены низкой кратности внутрь горючей жидкости. Для получения ВМП средней кратности используют простую пеногенерерующую аппаратуру типа ГПС-200, ГПС-600 ГПС-2000, обеспечивающую одновременную подачу на металлическую сетку 2-6 % водного раствора пе­нообразователя и эжектируемого потоком этого раствора воздуха. 

Дальность подачи такой струи 10-13 м. Пеной средней кратности тушат по площади и по объему. Она является основным средством тушения пожара нефти и неф­тепродуктов в резервуарах и на разлитых поверхностях. Она также использу­ется для вытеснения дыма при объемном тушении, изоляции расположен­ных рядом с очагами объектов от воздействия тепловых и газовых потоков. Но после применения пены, в подвалах, тоннелях, шахтах и т.д. отдельные очаги горения необходимо ликвидировать водяными струями.

ВМП высокой кратности получаются из пеногенерирующих установок в результате принудительного надува воздуха в пеногенератор от вентилято­ра. На практике ее получают с использованием дымососов ДПУ-7 и ДНМ-7. Такая пена применяется при объемном тушении пожара, для снижения температуры, для вытеснения дыма. Высокократная пена эффективно применялась для осаждения радиоактивных загрязнений из воздуха, тушения пожаров органи­ческих растворителей, тушения пожаров на кораблях, в библиотеках, архи­вах, шахтах и т.д. Но у нее имеются недостатки:

- подача на значительное расстояние затруднена;

- легко сдувается ветром и восходящими потоками продуктов горения;

- быстро разрушается при контакте с сухими предметами, и очень чувстви­тельна к воздействию высоких температур;

- при ее использовании в закрытых помещениях должно быть предусмотре­но отверстие для удаления воздуха.

Следует помнить, что из-за хорошей электопроводности пенного рас­твора запрещено применять пены для тушения пожара в электроустановках. Это обстоятельство в особенности необходимо учитывать при использовании воздушно-механических пен низкой и средней кратности. Кроме того, при контакте с горящими щелочными и щелочно-земельными металлами на­блюдается химическое взаимодействие их с содержащейся в пене водой, по­этому использовать пену для их тушения не допускается.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРА­ЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВЫМИ ОГНЕТУШАЩИМИ СОСТАВАМИ

В последние годы в практике тушения пожаров все более широкое применение находят порошковые огнетушащие составы (ПОС). Почти поло­вина всех разрабатываемых вновь и рекомендуемых для использования огне-тушащих составов представляют собой ПОС. Доля огнетушителей с ПОС в Герма­нии, Великобритании, например, достигает 80 % от общего количества. Ука­занное обстоятельство обусловлено, в первую очередь, тем, что порошковые составы могут применяться для тушения практически всех видов пожаров в различных отраслях промышленности и на транспорте.

ПОС чаще всего представляют собой мелкодисперсные порошки негорючих твердых веществ, основной составной частью которых являются аммонийные соли и соли металлов. Для повышения огнетушащей способности и улучше­ния эксплуатационных свойств в их состав вводят стеараты металлов, стеа­риновую кислоту, тальк, флюсы, аэросил, нефелиновый концентрат, триалкилфосфаты, силиконовые смолы, асбест, графит и т.д.

По своему назначению ПОС условно делятся на составы общего назна­чения и составы специального назначения (табл.23.1 и 23.2).

Порошковые составы общего назначения рекомендуется использовать для тушения пожаров класса  А, В, С, Е.

Порошковые составы специального назначения рекомендуется исполь­зовать для тушения пожаров класса Д и других, связанных с горением легких и щелочных металлов и их сплавов.

Кроме указанных, следует упомянуть о новых ПОС, которые успешно используются для целей пожаротушения. Это - "Пирант А", ПГС ПОС М, МГС, PC и т.д.

Номенклатура, применяемая за рубежом, отличается от приведенной выше. Порошковые составы имеют либо торговые названия "Моппех", "Favorit", "Total", "Zosso", либо условно называются по классам пожаров, для тушения которых они рекомендуются (ВСЕ, АВСДЕ ПОС для тушения пожаров классов В, С, Е и А, В, С, Д, Е, соответственно).

Достоинствами ПОС являются их универсальность, высокая огнетушащая эффективность, возможность применения при отрицательных темпе­ратурах, отсутствие токсичности, относительная долговечность, способность тушения электрооборудования, находящегося под напряжением 1000 В.

Основной недостаток ПОС заключается в их гидрофильности, склон­ности к увлажнению, слеживанию и комкованию. Поэтому их влажность не должна превышать 0.5 %. Для их подачи в зону горения должен использо­ваться пневмотранспорт, что ограничивает дальность полета струй воздушно-порошковой смеси (10-15 м для ручных, 20-25 м - для лафетных стволов). Кроме того, при применении ПОС в силу их высокой дисперсности образует­ся значительное количество пыли, что обуславливает необходимость работы в специальной одежде и средствах защиты органов дыхания. ПОС не облада­ет ярко выраженным охлаждающим действием, поэтому при наличии в зоне пожара раскаленных металлических поверхностей прибегают к комбиниро­ванному тушению порошковыми и пенными средствами с целью исключения возможности повторного воспламенения.

Огнетушащая эффективность и эксплуатационные свойства ПОС опре­деляются химическим составом их компонентов.

В странах СНГ наиболее широкое применение получили порошковые составы на основе бикарбоната натрия и фосфата аммония. В отдельных слу­чаях для специальных целей используются глинозем, фтористый кальций, силикагель, хлориды щелочных металлов и другие порошковые материалы.

Порошки на основе гидрокарбоната натрия более других устойчивы против слеживания. Иодиды и бромиды щелочных металлов, фосфат аммо­ния обладают хорошими огнетушащими свойствами, но гигроскопичны и для них в сильной степени характерен указанный выше недостаток. Для фтори­дов металлов, сульфата аммония, наоборот, характерны хорошие эксплуата­ционные свойства, но они неспособны эффективно гасить пламя.

Огнетушащая эффективность солей возрастает в следующем порядке: NaHCO3 < NaF < Na2C2O4 < Na2CO3 < K2CO3< KC1 < K2Cr2O7 < NaCl < К2С2О42О.

Видно, что наиболее эффективными ингибиторами горения являются оксалат калия и хлориды щелочных металлов. Особенно высокой эффектив­ностью обладает оксалат, что обусловлено его способностью к растрескива­нию и увеличению тем самым суммарной площади поверхности в единице объема. Кроме того, при сильном нагревании происходит частичное его испа­рение, что сопровождается гомогенным ингибированием процессов, имею­щих место в пламени.

Наиболее перспективными для создания новых эффективных ПОС пред­ставляются хлориды, вследствие их низкой токсичности и широкой распро­страненности.

Можно отметить, что эффективность солей повышается с увеличением атомного веса их катиона. Анион соли также вносит свой вклад. Чем легче протекает процесс разложения соли, тем выше ее огнетушащая эффектив­ность. Поэтому наибольшее распространение получили соли угольной, щаве­левой, фосфорной и винной кислот.

Механизм огнетушащего действия ПОС до конца не изучен. Их отно­сят к изолирующим огнетушащим средствам. Но это не в полной мере отра­жает процессы, происходящие в пламени при использовании порошковых составов. Необходимо учитывать следующие составляющие сложного меха­низма тушения:

1.   простое физическое разбавление реагентов в зоне химических реакций; на это указывает повышение эффективности тушения ПОС общего назначе­ния при увеличении их дисперсности %;

2.   охлаждение зоны реакций вследствие поглощения тепла частицами малой массы с большой суммарной теплоемкостью и тепловоспринимающей по­верхностью;

3.   эффект "холодной стенки", достигаемый при прохождении пламени через узкие каналы, как бы создаваемые порошковым облаком;

4.  гетерогенное ингибирование, если поверхность твердых частиц химически активна по отношению к радикалам зоны химических реакций в пламени;

5.   охлаждение   зоны   реакций   вследствие   протекания   эндотермического процесса разложения солей;

6.  разбавление реагирующих компонентов выделяющимися при разложении солей газами и парами;

7.   гомогенное  ингибирование,  если  испарившиеся  при  введении  в  зону горения порошков продукты являются химически активными ингибиторами (СИ-2);

8.   экранирующее действие неразложившихся в зоне реакций и покрывающих горючие материалы твердых частиц;

9.   изолирующее действие оседающих частиц, препятствующее доступу воз­духа в зону пиролиза горючих материалов и выходу горючих компонентов в зону горения;

10. образование на поверхности горящего материала полимерной пленки полифосфатов и, соответственно, ее экранирующее и изолирующее действие (в случае использования ПОС на основе фосфатов аммония).

Доминирующий механизм огнетушащего действия ПОС определяет наиболее рациональный способ их подачи в зону горения.

При тушении пламени газовых фонтанов целесообразно реализовать объемные механизмы тушения: разбавление, химическое ингибирование и т.д. Это определят и способ, и зону наиболее интенсивной подачи ПОС: рассредоточено, объемно, "снизу вверх" или "сбоку", чтобы создать на поверхности материала более толстый слой порошковой массы.

Наконец, при разливе ЛВЖ, ГЖ или при пожарах в резервуарах с указанными жидкостями ПОС должны подаваться в зависимости и от химической природы, и доминирующего механизма их огнетушащего действия,

Порошковые огнетушащие составы при правильном хранении долго не теряют свои полезные свойства. Необходимо помнить, что при температуре выше 50°С может происходить частичное разложение гидрокарбоната натрия в составах ПСБ с образованием воды, фосфатов аммония с выделением аммиака - в составах ПФ и П или размягчение (плавление) гидрофобных добавок в составах ПС. Во избежание десорбции хладона хранение составов СИ-2 допускается в герметических металлических емкостях при температуре, не превышающей 25°С.

Тушение пожаров порошковыми средствами может осуществляться из различного пожарного оборудования: переносных и передвижных огнетушителей, автомобилей порошкового тушения, стационарных установок.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И  МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНЫМ ГАЗОМ

К нейтральным газам относятся вещества, которые химически не взаи­модействуют с горючим или окислителем, но в силу своих свойств при нахождении в зоне горения оказывают влияние на протекающие в ней физико-химические процессы.

К данной категории веществ относится углекислый газ, азот, водяной пар, дымовые и отработанные газы, газоводяные смеси и т.д.

Механизм прекращения горения. Механизм прекращения горения ней­тральными газами является наиболее простым, если сравнить их с другими известными огнетушащими средствами (например, с пеной, порошковыми средствами, химически активными ингибиторами). Нейтральные газы от­носятся к огнетушащим средствам разбавления. Попадая в зону протекания реакций горения, эти газы разбавляют горючую газовую смесь, состоящую из смеси горючего и окислителя, снижая тем самым их концентрации в единице объема. Это приводит к уменьшению скорости протекания реакций и, соответственно, скорости тепловыделения, а значит и к снижению температуры, вплоть до температуры потухания.

С точки зрения тепловой теории потухания пламени данный процесс схематически с рядом допущения изображен на рис. 23.3.

Введение нейтральных газов в зону реакции в результате разбавления горючей смеси снижает интенсивность тепловыделения с q1 =ƒ(T) до q2 =ƒ(Т) за счет уменьшения скорости реакции

         Изображение 6

где Q - тепловой эффект реакции горения горючего газа; ΔV - элементарный объем в зоне реакции; k0 - константа скорости химической реакции; v1, и v2 - порядок реакции по горючему и окислителю; Формула 7- концентрации горючего и окислителя; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура реагирующей смеси.

Температура продуктов горения снизится с Тг до Tг. Кроме того, нейтральный газ уменьшит температуру окружающей среды с Т0 до Формула 8. Это приводит к повышению интенсивности теплоотвода от зоны реакции с q2 =ƒ(Т) до Формула 9= ƒ (Т) за счет роста интенсивности конвективного и лучистого потоков от пламени. Графически это выразится как параллельный перенос кривой Формула 10= ƒ(T) левее кривой q2 =ƒ(T). При этом может быть достигнуто такое состояние, когда кривая Формула 11 =ƒ(T) станет касательной к кривой Формула 12 = ƒ(T) в точке П, которая соответствует температуре потухания Тп.

Одна из составляющих механизма тушения нейтральными газами заключается в разбавлении воздуха и в снижении в нем содержания кислорода до предельной концентрации, при которой горение невозможно. Для большинства веществ диффузионное горение прекращается при снижении концентрации кислорода до 12-15 об. %. Для веществ, характеризующихся широкой областью воспламенения (водород, ацетилен), металлов (например, щелочных), гидридов некоторых металлов, металлорганических соединений, тлеющих материалов данное значение уменьшается до 5 об. % и менее. В табл. 4.1. приведены предельные концентрации кислорода, при которых предотвращается воспламенение некоторых горючих газов при введении в воздух двуокиси углерода или азота (табл. 23.3).

Установлено, что введение нейтральных газов в горючую смесь сужает область воспламенения. Последнее в основном достигается за счет уменьшения верхнего концентрационного предела воспламенения (рис. 23.4).

При некоторой концентрации разбавителя (флегматизатора) оба предела сливаются, и смесь становится пожаробезопасной. Данная концентрация называется минимальной флегматизирующей или минимальной огнетушащей.

Как видно из рис. 23.4, огнетушащие концентрации нейтральных газов зависят не только от горючего, но и от вида разбавителя. Например, для СО2 Формула 13= 20-25 об. %; гелия и азота - Формула 14 = 35-40 об. %; аргона Формула 15= 50-55 об. %; воды - Формула 16= 30-35 об. % и т.д. Это объясняется тем фактом, что огнетушащая концентрация нейтрального газа пропорциональна отношению Ср/l, где Ср - удельная теплоемкость нейтрального газа, l - коэффициент тепло­проводности нейтрального газа. Действительно, чем выше теплоемкость вво­димого в зону горения нейтрального газа, тем интенсивнее теплоотвод из зо­ны химической реакции, а значит и эффективнее его огнетушащее действие. Коэффициент теплопроводности свежей горючей смеси при этом тоже изме­няется. Его увеличение после введения разбавителей снижает эффективность нейтральных газов вследствие интенсификации теплоотвода в смесь, по­скольку температура смеси меньше температуры зоны реакции. Известно, что количество тепла, отводимое теплопроводностью из зоны реакции, про­порционально коэффициенту теплопроводности и градиенту температур. Градиент температур в сторону горючей смеси во много раз больше, чем в сторону продуктов горения. Поэтому основная часть тепла пойдет на подго­товку свежей смеси к горению. Проведенный количественный анализ под­тверждает изложенное. Поскольку Как видно из , огнетушащие концентрации нейтральных газов зависят не только от горючего, но и от, то и их огнетушащие концентрации приблизительно одинаковы, т.е. Как видно из , огнетушащие концентрации нейтральных газов зависят не только от горючего, но и от

 Таким образом, нейтральные газы действуют как по механизму разбав­ления и снижения скорости тепловыделения, так и       Таким образом, нейтральные газы действуют как по механизму разбав­ления и снижения скорости тепловыделения, так и по механизму прекраще­ния горения теплоотводом на нагревание вводимых нейтральных газов, а также по механизму интенсификации теплоотвода из зоны реакции. Из указанных значений минимальных огнетушащих концентраций можно найти удельный расход газообразных огнетушащих средств. Например, для аргона х/(х+1) = 0.54. Получаем х = 1.18, т.е.  Таким образом, нейтральные газы действуют как по механизму разбав­ления и снижения скорости тепловыделения, так и =1.18 л огнетушащих средств на 1 л горючей смеси.  Соответственно, для гелия и азота   Таким образом, нейтральные газы действуют как по механизму разбав­ления и снижения скорости тепловыделения, так и=  Таким образом, нейтральные газы действуют как по механизму разбав­ления и снижения скорости тепловыделения, так и =0.51 л, для углекислого газа  Таким образом, нейтральные газы действуют как по механизму разбав­ления и снижения скорости тепловыделения, так и = 0.33 л.