Каталог

Помощь

Корзина

Теоретические основы прекращения горения. Лекция 12

Оригинальный документ?

Теоретические основы прекращения горения. Лекция 12

ОГНЕТУШАЩИЕ СРЕДСТВА И МЕХАНИЗМ ИХ  ОГНЕГАСЯЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

Под огнегасящими средствами (ОС) понимают различные вещества и материалы, с помощью которых можно непосредственно создать условия прекращения горения. Все ОС классифицируются по двум признакам: по агре­гатному состоянию и механизму прекращения горения. По агрегатному со­стоянию они подразделяются:

- жидкие (вода, водные растворы смачивателей и т.д.);

- пенные (воздушно-механические и химические пены);

- порошковые составы;

- сыпучие материалы (песок, земля, специальные составы и т.д.);

 - газообразные (нейтральные газы).

Все огнетушащие составы оказывают комбинированное воздействие на про­цесс горения. Вода, например, может охлаждать и изолировать (или разбав­лять) источник горения; порошковые системы изолируют и тормозят реак­цию горения; наиболее эффективные газовые составы разбавляют и тормозят реакцию горения и т.д. Однако любое огнетушащее средство обладает одним доминирующим свойством.

По механизму прекращения горения ОС подразделяются на:

-  охлаждающие зону химической реакции или горящие вещества (вода, вод­ные растворы смачивателей и т.д.);

-  разбавляющие вещества в зоне реакций горения (нейтральные газы, водя­ной пар);

- изолирующие горючие вещества от зоны горения воздушно-механические и химические пены, негорючие сыпучие материалы, листовые материалы);

- химически тормозящие реакцию горения (хладоны).

ОС широко распространены в природе. Кроме того, современные техно­логии позволяют получать такие ОС, которые отсутствуют в природе. Одна­ко не все ОС могут быть взяты на вооружение органами и подразделениями по чрезвычайным ситуациям, а лишь те, которые отвечают определенным требованиям. Они должны:

- обладать высоким эффектом тушения при сравнительно малом расходе;

- быть доступными, простыми в использовании и иметь низкую стоимость;

-  не оказывать вредного воздействия при их применении на людей и мате­риалы, быть экологически чистыми.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРА­ЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ ВОДОЙ

Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее уни­версальных ОС, применяемых при тушении пожаров. Она эффективна при тушении пожаров, связанных с горением веществ, находящихся во всех агрегатных состояниях. Ее с успехом используют при тушении горящих газов, пожаров ЛВЖ, ГЖ, твердых горючих материалов.

Область применения воды может быть ограничена по следующим причинам:

- водой нельзя тушить горючие вещества и материалы, с которыми они всту­пают в интенсивное химическое взаимодействие с выделением тепла и горю­чих компонентов (щелочные, щелочноземельные металлы, карбид кальция и т.д.), а также кислоты и щелочи, с которыми вода бурно взаимодействует;

- нельзя тушить водой пожары с температурой 1800-2000°С, так как при этом происходит интенсивная диссоциация паров воды на кислород и водород, уси­ливающих процесс горения;

- водой нельзя тушить пожары, при которых ее применение не обеспечивает требуемых условий безопасности для личного состава (например, электроус­тановок, находящихся под высоким напряжением).

Свойства воды - жидкость без цвета и запаха,

- плотность р = 1000 кг/м3 ;

- температура замерзания tзaм. = 0°С;

- температура кипения tзкип. = 100°С;

- плотность насыщенного водяного пара при 100°С и давлении 98100 Па rп = 0.6 кг/м3 ;

- удельная теплоемкость воды СФормула 1 = 4.19 кДж/(кгК);

- удельная теплоемкость пара в диапазоне температур от   100 до 1000°С Ср = 2.52 кДж/(кгК);

- теплота испарения UН2О = 2260 кДж/кг;

- поверхностное натяжение Формула 2= 7.25.10 -3 Н/м;

- коэффициент динамической вязкости Формула 3=10-3(Н м)/м2;

- удельная электрическая проводимость (чистой воды) при 20°С - удельная электрическая проводимость (чистой воды) при 20°С ..

Вода как ОС имеет свои недостатки. Сравнительно высокая температу­ра замерзания и аномалия изменения плотности при замерзании сильно огра­ничивают ее использование при отрицательных температурах. Сравнительно малая вязкость и высокое поверхностное натяжение ухудшают ее смачиваю­щие способности и тем самым снижают коэффициент использования в про­цессе тушения.

Однако удачное сочетание физико-химических свойств с точки зрения требований к огнетушащим составам: высокая термическая ус­тойчивость, высокая теплоемкость и теплота испарения, относитель­ная химическая инертность, делает воду надежным, эффективным и наиболее используемым средством тушения пожаров.

Низкая стоимость, широкая распространенность, простота исполь­зования, удобство хранения и транспортировки, простота и регулируемость подачи в зону горения, безопасность применения, хорошая растворяющая способность и другие положительные свойства воды в значительной степени компенсируют недостатки воды.

По механизму прекращения горения вода относится к категории охла­ждающих огнетушащих средств. Если в факел пламени подать тонкораспы­ленную воду, то значительная часть или почти вся вода испарится, отняв максимальное количество тепла. Если допустить, что вся вода, поданная в зону пламени, полностью испарится, то механизмы отвода тепла и механизм прекращения горения будут следующими;

- снижение температуры пламени из-за затрат тепла на нагревание капелек воды до температуры кипения:

          ;- снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразо­вание (испарение) ;;

- снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразо­вание (испарение):     ;- снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразо­вание (испарение) ;;

 - снижение температуры факела пламени за счет смешения паров воды при температуре 100°С и реагентов в зоне реакции и затраты тепла на нагревание паров воды до температуры среды в зоне реакции:

          ;- разбавление компонентов горючей смеси в зоне химической реакции горе­ния парами воды;;

- разбавление компонентов горючей смеси в зоне химической реакции горе­ния парами воды;

-  изменение теплофизических свойств газовой среды в зоне горения: Формула 8,Формула 9и др.

Количество тепла, отводимое 1 кг воды, имеющей начальную темпера­туру 20°С, будет равно:

q1 + q2 + q3 =q1+q2+q3==4.19×l×(199-20)+22601+2.52×1×(1000-100)≈ 4850 кДжкг, т.е. 1 л воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и= 4.19×l×(199-20)+22601+2.52×1×(1000-100)≈ 4850 кДж/кг, т.е. 1 л воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и нагревании паров до наименьшей температуры пламени, способен отнять от факела пламени 4850 кДж/кг.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРА­ЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ ПЕНОЙ

Свойства пены. Пены относятся к огнегасящим средствам, широко исполь­зуемым при пожаротушении. Это связано с преимуществами, которыми они обладают по сравнению с такими традиционными ОС, как вода. Применение пен позволяет сократить время тушения пожара до 3 раз, уменьшить матери­альные потери от пожаров до 1.5.

Пены представляют собой грубодисперсную двухфазную систему, со­стоящую из ячеек, заполненных газом и разделенных пленками жидкости. Газ (или пар), заполняющий ячейки, является дисперсной фазой, а жидкость дисперсионной стрелой. Жидкую фазу пены называют отсеком.

Структура пены определяется отношением объемов газовой Vг и жид­кой Vж фаз в единице объема. Если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более, чем в 10-20 раз, т.е. Vг /Vж < 10-20, ячейки, заполненные газом, имеют сферическую форму. В таких пенах пузырьки окружены слоем жидкости относительно большой толщины. С увеличением отношения Vг /Vж до нескольких десятков или даже сотен толщина пленки жидкости, разделяющей газовый объем, уменьшается, а газовая полость утрачивает сферическую форму и трансформируется в многогранник, причем форма многогранника может быть различной параллелепипеды, треугольные призмы, тетраэдры и т.д. Для газовых пузырьков монодисперсных пен высо­кой кратности, наиболее характерна форма пентагонального додекаэдра - двенадцатигранника с пятиугольными гранями (рис.).

Кратностью пены называется отношение объема пены к объему жид­кой фазы, из которой она получена:

Отношение объема газа в пене к объему пены называется газосодержанием пены β

Отношение объема газа в пене к объему пены называется газосодержанием пены β:

β = Vr /Vж

Газосодержащие и кратность пены связаны между собой соотношением:

Β = (Kп-1)/Kп.

Дисперсность пены Dn оценивается либо средним размером пузырьков dcp, либо распределением по размерам:

Dn = l/dcp,       dcp=Dn = ldcp, dcp=,где di - диаметр пузырьков фракции; - общее число пузырьков всех фракций; Ni,

где di - диаметр пузырьков фракции; Dn = ldcp, dcp=,где di - диаметр пузырьков фракции; - общее число пузырьков всех фракций; Ni- общее число пузырьков всех фракций; Ni - число пузырьков фракции с диаметром di.

Видно, что с уменьшением диаметра пузырьков пены ее дисперсность возрастает. Если пузырьки имеют одинаковые размеры, пена называется монодисперсной, если имеется много размеров (фракций) пузырьков, пена называется полидисперсной.

На дисперсность пены оказывают влияние физико-химические свойства пенообразователя, способ смешения фаз, конструкция пеногенератора. Чем выше дисперсность пены, тем она более подвижна. С повышением кратности пены ее дисперсность уменьшается.

Огнестойкость пены характеризует ее поведение в реальных условиях пожаротушения. Ее определяют следующим образом. В противень наливается жидкость, на ее поверхность подается пенный слой заданной толщины так, чтобы в углу противня остался небольшой по площади участок с открытой поверхностью жидкости. На нем жидкость поджигается и фиксируется вре­мя, в течение которого пламя распространяется на всю поверхность ГЖ.

Вязкость пены характеризует ее способность к растеканию и оценивается коэффициентом динамической вязкости m, либо напряжением сдвига s. Коэффициент динамической вязкости возрастает с увеличением кратности пены и ее дисперсности.

Плотность пены зависит от соотношения газовой и жидкой фаз и может изменяться от 0.5.rж до значений, близких к rг (rж и rг - плотности жидкой и газовой фаз). Пены, используемые для тушения пожаров, обычно имеют плотность 10-5 кг/м3 и меньше.

Электропроводность пены пропорциональна количеству, содержащейся в ней жидкости. Экспериментально установлено, что отношение электропроводности жидкости к электропроводности пены линейно связано с от­ношением их плотностей:

         Изображение 14

где cж и cп - удельные электропроводности жидкости и пены. Передача тепла в пене происходит через пузырьки газа и через жидкостные пленки между ними. Из-за наличия газовой фазы теплопроводность пен незначительна.

Устойчивость пен и их разрушение. Пена как любая дисперсная система является неустойчивой. Это связано с наличием избытка поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела фаз жидкость - газ. Поэто­му с момента образования пены в ней протекают процессы старения, в ре­зультате которых пена изменяет свои свойства. Наиболее интенсивные изме­нения наблюдаются в начальный момент.

Разрушение пены в нормальных условиях происходит в результате истечения жидкости и разрыва пленок внутри пены. Следствием этого является изменение структуры. В процессе старения сферическая форма ячеек преобразуется в многогранную. Кроме того, с момента образования в пене начи­нается процесс диффузионного переноса воздуха из маленьких пузырьков в большие. Это приводит к уменьшению общего числа пузырьков и увеличе­нию их среднего диаметра.

В реальных условиях при тушении пожара пена разрушается также в результате деформации пузырьков под действием силы трения при движении, термического воздействия окружающей среды, конвективных потоков. Процесс разрушения может быть охарактеризован интенсивностью разруше­ния, которая определяется по формуле:

- объем пены, разрушенной за промежуток времени ; - начальный объем пены. 

- объем пены, разрушенной за промежуток времени ; - начальный объем пены.- объем пены, разрушенной за промежуток времени - объем пены, разрушенной за промежуток времени ; - начальный объем пены.; - объем пены, разрушенной за промежуток времени ; - начальный объем пены. - начальный объем пены.

В настоящее время чаще пользуются понятием "устойчивость пены". Устойчивость пены Sn - это ее способность сохранять объем, дисперсный состав, и препятствовать синерезису. Sn - величина, обратная интенсивности разрушения: В настоящее время чаще пользуются понятием устойчивость пены. Устойчивость пены Sn - это ее способность сохранять

Ее оценивают по времени, в течение которого из пены выделяется 50 % жидкой фазы, из которого она получена, т.е. 50 % отсека. Для пен кратностью 100-1000 время выделения 50 % отсека при 20 0С описывается следующей эмпирической зависимостью:   qж =7.7×d×(1 + 0.001×Кп), мин.

Устойчивость пены зависит от многих факторов, но следует выделить следующие: температура окружающей среды, дисперсность пены (моно- или полидисперсная), ее кратность, высота слоя, давление упругих паров ГЖ, механическое воздействие на нее при движении:

Изображение 20

Для повышения устойчивости пен в них вводят вещества-стабилизаторы (соли поливалентных металлов, глинозем, поливиниловый спирт, эфиры целлюлозы, полиакриламид, протеин и т.д.).

Поверхностно-активные вещества и пенообразователи

Поскольку чистые жидкости имеют большое поверхностное натяжение, для получения пены в систему необходимо вводить добавки, понижающие поверхностное натяжение воды. В качестве этих добавок, называемых пенообразователями, могут применяться некоторые природные (экстракт солодкового корня, сапонин и др.) и синтетические (алкилсульфаты, алкилсульфонаты и др.) поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Свойства ПАВ понижать поверхностное натяжение на границе раздела жидкость - газ обусловлены способностью молекул ПАВ собираться на поверхности раздела фаз. Это, в свою очередь, определяется строением молекул ПАВ. Молекулы ПАВ состоят из гидрофобной части (углеводородная цепь) и гидрофильной группы, способной гидратироваться. При введении в жидкость ПАВ происходит адсорбция молекул последнего на поверхности раздела с газовой средой, так как молекулы ПАВ вытесняются из раствора на поверхность из-за плохой совместимости гидрофобной части молекул с водой. Образуется своеобразный поверхностный слой, в котором молекулы ПАВ ориентированы таким образом, что гидрофильная часть находится в одном растворе, а гидрофобная - направлена в сторону газовой фазы (рис.).

Классификация ПАВ основана на особенностях строения их молекул. По этому принципу все молекулы можно разделить на следующие группы:

- ионогенные, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы. Они, в свою очередь подразделяются на анионоактивные (заряжают поверхность раздела отрицательно) и катионоактивные (заряжают поверхность раздела положительно).

Поверхностная активность анионоактивных ПАВ обусловлена анионами. К ним относятся соли, образованные щелочными металлами и жирными кислотами, алкилсульфонаты щелочных металлов и др. При их растворении происходит диссоциация с образованием активных анионов

CH3(CH2)10COONa Û СН3(СН2)]0СОО- + Na+

Поверхностная активность катионоактивных ПАВ определяется катионами. Этот класс соединений включает соли органических аминов, алкилпиридиновые соли четвертичные аммониевые соли. Например, при растворении в воде последних происходит их диссоциация с образованием активных катионов:

[СН3 (СН2)10N+(СН3)3] СI- Формула 21 [СН3 (СН2)10N+(СН3 )3]++ СI-

- неионогенные, которые в воде не диссоциируют на ионы. Они не изменяют заряд на поверхности жидкость - газ. Растворимость неионогенных ПАВ зависит от сродства к воде функциональных групп, а поверхностная активность их обусловлена дифильным строением молекул. К таким веществам относятся оксиэтилированные жирные спирты, кислоты, фенолы, амины, амиды и т.д. Например, оксиэтилированный бутилфенол С4Н9-С6Н5-(СН2СН2О)7Н.

Существуют ПАВ, которые в зависимости от рН раствора могут про­являть анионоактивные (в щелочной среде рН > 7) или катионоактивные (в кислой среде рН < 7) свойства. Они называются амфотерными или амфолитными. Подобными свойствами, например, обладают алкиламинокислоты.

Пенообразователи представляют собой концентрированные водные растворы ПАВ, содержание которых составляет 25-30 масс. % в пересчете на активное вещество. Рабочие растворы, из которых готовят пену, содержат 0.1-0.2 масс. % ПАВ.

Пенообразователи (ПО) подразделяются на две группы: общего и целевого назначения. ПО целевого назначения используются для получения пены при отрицательных температурах, из воды, содержащей достаточно большое количество минеральных солей.

В органах и подразделениях по чрезвычайным ситуациям России используются пенообразователи

Следует отметить, что рассматриваемые пенообразователи не способны к самостоятельному горению, но могут образовывать с воздухом взрыво­опасные смеси при обычной температуре. В связи с этим, при обращении с ними запрещается пользоваться открытым огнем и другими источниками зажигания. В то же время их рабочие растворы пожаровзрывобезопасны.

Кроме упомянутых пенообразователей, в подразделениях пожарной службы стран СНГ нашли широкое применение пенообразователи ПО-1, ПО-1Д, ПО-1C, ПО-6К, ПО "ТЭАС", ПО "Морозко", ПО "Полюс", ПО "Универсальный", ПО "ФОРЭТОЛ" и др.