CC BY
23
Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ICA_kbs@mgsu.ru) А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ICA_kbs@mgsu.ru)
УДК 614.84.664
АНАЛИЗ ДВОЙСТВЕННОГО МЕХАНИЗМА ТУШЕНИЯ ПЛАМЕНИ
Показано, что для тушения пламени огнетушащими веществами характерен двойственный механизм процесса, включающий основное и сопутствующее ему действие огнетушащего вещества. Установлено, что действие сопутствующего эффекта приводит к потерям огнетушащего вещества и снижению его огнетушащей эффективности. Рассмотрена процедура определения оптимальной интенсивности подачи на примере применения распыленного хладона при тушении розлива углеводорода. Рассмотрена структура сопутствующего фактора при "подслойной" подаче пены низкой кратности при тушении резервуара с нефтепродуктом. Рассмотрены упрощенные варианты модели процесса тушения гептана.
Ключевые слова: двойственный механизм тушения; огнетушащее вещество; оптимальная и критическая интенсивность подачи; тушение локального розлива углеводорода.
Применение распыленных струй воды в спринк-лерных системах ведет к осаждению частиц дыма, скапливающегося под потолком. В зависимости от дисперсности капель воды слой дыма может либо опускаться вниз, препятствуя эвакуации [1], либо поглощаться ими. В работах [2-4] проведено детальное исследование эффектов вовлечения (эжекции) воздуха распыленными струями жидкости.
Вопрос об эжекции дополнительного кислорода с воздухом имеет важное значение для обоснования двойственного механизма тушения пламени огнетушащими веществами, поэтому особое внимание уделено анализу литературы, в которой приводятся экспериментальные данные по эжекции воздуха распыленными струями воды.
Для количественного анализа двойственного механизма тушения пламени, например, газами используется определяющий параметр — флегмати-зирующая концентрация хладона, химически активных ингибиторов (ХАИ) и нейтральных газов (НГ). В работах [5-8] предложены расчетные соотношения для определения флегматизирующей концентрации хладонов и НГ, оптимальной и критической интенсивности подачи огнетушащих веществ — химически активных ингибиторов, нейтральных газов, распыленной воды и пены при различных способах подачи их на горючую жидкость (ГЖ).
Процедура определения оптимальной интенсивности подачи при рассмотрении двойственного механизма тушения различными огнетушащими веществами во многом схожа. Рассмотрим ее на при© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., 2014
мере применения распыленного хладона при тушении локального розлива углеводорода.
Нарис. 1 представлены фрагменты тушения горючей жидкости в модели кольцевого зазора резервуара с плавающей крышей. Тушение проводилось путем подачи распыленной струи хладона, температура кипения которого близка к 10 °С, поэтому он хранится в герметичных емкостях под избыточным давлением. Подавался хладон к распылителю в виде жидкости, которая испарялась в зоне горения.
Тушение пожаров розливов горючих жидкостей хладонами относится к объемному способу тушения пламени, хотя интенсивность подачи огнетушаще-го состава рассчитывается на единицу площади поверхности горящей жидкости. Это промежуточный случай объемно-поверхностного тушения пожара.
При подаче хладона в зону горения в виде распыленной жидкости можно наблюдать процесс его испарения до поверхности горящей жидкости, т. е. испарение и накопление хладона происходит в объеме, заключенном в слое над поверхностью жидкости. Вместе с продуктами горения и воздухом пары хладона частично уносятся из зоны накопления.
Условием потухания пламени ГЖ является создание в зоне горения горючей смеси такой концентрации флегматизатора — хладона, которая соответствует минимальной флегматизирующей концентрации (МФКФ). Если концентрация хладона в горючей смеси достигнет минимального значения, то такая смесь газов будет негорючей и пожар прекратится. Минимальная флегматизирующая концентрация
Рис. 1. Фрагменты тушения пламени нефтепродукта распыленными струями химически активного ингибитора: а — модель кольцевого затвора резервуара с плавающей крышей; б — модельный очаг горящей нефти, подготовленный для подачи хла-дона; в — ликвидация пламени
хладона фМФКФ определяется экспериментально или рассчитывается для стехиометрической смеси горючих газов [7].
Для выявления оптимальных условий процесса тушения необходимо представить и проанализировать модель процесса тушения горючей жидкости хладоном.
Исходные положения этой модели, материальный баланс ГЖ и хладона, поданного на тушение пламени, и определение оптимальной интенсивности подачи хладона для тушения были рассмотрены в работе [7].
Оптимальная интенсивность подачи хладона
I = 2 7П
ФрМг
Ф г М г
(1)
где и'т — массовая скорость выгорания горючей жидкости, кг/(м2-с);
Ф^, фг — объемные концентрации соответственно хладона и горючего газа; Мр, Мг — молярная масса соответственно хла-дона и горючего газа.
Расчет критической интенсивности подачи хладона при тушении ГЖ рассмотрен в работе [11] на примере тушения пламени гептана фреоном 114В2. Расчет проводился с учетом флегматизирующей концентрации фреона и его относительного содержания в горючей смеси в сравнении с горючим газом, выраженного относительным массовым числом К,
^ ■
КР =
ФрМр Ф г М г
(2)
Критическую интенсивность подачи хладона 1кр определяли по формуле
г'
1 кр = ит КР = и'
Ф г М г
(3)
Распыленная струя жидкого хладона эжектиру-ет в резервуар воздух, поэтому толщина тушащего
слоя Н, равная расстоянию от края резервуара до фронта горения, будет возрастать и может быть определена по формуле
Н = Но + р I, (4)
где Н0 — высота зоны горения до начала тушения; Р — коэффициент эжекции, м3/(кг-с), показыва-
3
ющий, сколько м воздуха в секунду захватывает 1 кг распыленной жидкости; Р = АН/1; I — интенсивность подачи хладона, кг/(м2-с); АН = Н - Н0.
Расход хладона на тушение О рассчитывается по уравнению
О = /т, (5)
где т — время тушения, с;
т = -(1/Ц) (Но + рI) 1п[1 - (/о//)]; (6) и1 — линейная скорость движения газовой смеси с хладоном, м/с;
J0 — интенсивность подачи в зону горения при минимальной флегматизирующей концентрации хладона. Тогда
О = - (//и) (Но + рI) 1п[1-(/о/1)]. (7)
Дифференцируя О по I, найдем минимальный расход хладонанатушение: ОтЬ = ёО/47 = о. После дифференцирования и разложения в ряд Тейлора логарифмической функции получим квадратный трехчлен:
12 = 2Л I - Л(Но/Р) = о,
решение которого имеет вид:
Jopt = ^о + -Го2 + J0
(8)
Коэффициент эжекции р меняется от 0,5 до 2,5 в зависимости от дисперсности капель, угла раскрытия струи жидкости и диаметра отверстия насадка распылителя, т. е. от способа подачи хладона. Соответственно будет меняться и величина Jopt.
Рассмотрим, как изменяется при этом минимальный удельный расход хладона на тушение пожара, определяемый по формуле
= /°г- (ho + р )1п| 1 -■
U1
При J0pt = 2/ и р = 2,5
X
opt
(15)
Gm.n1 = [(2,7 • 0,2)/0,5] (1,0 + 2,5 • 0,54) (-0,46) = = 1,16 кг/м2.
При /оР =3,4Jо и р =1,0
Gmin2 = [(3,4 • 0,2)/0,5] (1,0 + 1,0 • 0,68) (-0,35) = = 0,8 кг/м2.
Итак, с увеличением коэффициента эжекции возрастает минимальный расход хладона на тушение единицы площади горящей жидкости. Снижение коэффициента эжекции возможно за счет использова-
ния тушащей жидкости грубого распыла, т. е. за счет увеличения размеров капель. Однако крупные капли хладона не успевают испаряться и "тонут" в горючей жидкости, что приводит к его потерям, поэтому нужно выбрать оптимальные условия, обеспечивающие полноту его использования (рис. 2).
Параметр процесса тушения — удельный расход хладона на тушение единицы площади горящей поверхности является основным показателем, характеризующим его огнетушащую эффективность П. Если взять величину, обратную О, т. е. 1/0, то этот показатель будет характеризовать огнетушащую способность 1 кг хладона. Так, например, П =1/0т,п2 = = 1/0,8 = 1,25 м2/кг означает, что 1 кг хладона может потушить 1,25 м2 горящей поверхности гептана. Разделив этот показатель на время тушения, получим динамический показатель огнетушащей эффективности Пэт:
и а Я
(М
I Он >13 §
\ 1 \ 1 и £
1 1
ьГ
15
■е-
т 5! И и
й
о И
Пэт = (1/0)/т = 1/(/т2).
(16)
•'кр иорЛ •'орО.
Интенсивность подачи, кг/(м2-с)
Рис. 2. Графическая иллюстрация оптимизации процесса тушения ГЖ хладоном
Графически эти показатели изменяются анти-батно с удельным расходом хладона на тушение единицы площади горящей поверхности О.
Двойственный механизм тушения пламени выражен также при тушении пламени нефтепродуктов пеной. В настоящее время широко используется способ тушения пламени нефти подачей пены низкой кратности в основание резервуара с нефтью. На этом процессе можно проследить сложную структуру сопутствующего фактора. Сложность заключается в условиях применения подслойного способа. Если резервуар с нефтью имеет стационарную крышу, то пена всплывает на открытую поверхность горящей нефти (рис. 3,а), а если — плавающий понтон, то при его частичном затоплении пена поднимается непосредственно под твердую поверхность понтона (рис. 3,6).
Пена
Резервуар с нефтью
Уровень взлива нефти
Поток нефти
Подслойная система пожаротушения
Резервуар с нефтью Понтон
к полузатонувший
Уровень взлива нефти
Поток нефти
Подслойная система пожаротушения
Поток нефти
Рис. 3. Движение потоков пены и нефти в резервуаре без понтона (а) и с понтоном (6) в процессе тушения пламени нефти системой подачи пены в основание резервуара
Рис. 4. Действие сопутствующего фактора при тушении нефти системой подачи пены в основание резервуара: а — увлечение нефти и формирование поверхностных течений горючего пеной; б — оттеснение пены поверхностными потоками нефти к борту (после ликвидации пожара)
Первоначально сопутствующий фактор проявляется в увлечении холодных масс нефти наверх к горящей поверхности. Этот эффект имеет два положительных действия: первое — охлаждение поверхностного слоя нефти, что снижает скорость контактного разрушения пены; второе—уничтожение за счет перемешивания нефти ее гомотермического слоя, образующегося при длительном горении. В то же время он имеет и отрицательную сторону, связанную с увлечением пеной массы нефти. Это локальный подъем уровня нефти в месте подъема пены и формирование поверхностных потоков (рис. 4,а), препятствующих образованию сплошного слоя пены, который необходим для предотвращения повторного воспламенения нефти. Только благодаря особым, пленкообразующим свойствам пенообразователя пожар может быть локализован и полностью потушен, хотя визуально в месте подъема пены поверхность нефти свободна от нее, так как поверхностные потоки нефти оттесняют пену к бортам (рис. 4,б).
При анализе процесса тушения подслойной системой подачи пены в основание резервуара с частично затонувшим понтоном структура сопутствующего фактора утрачивает одну из составляющих — локальный подъем уровня нефти в месте подъема пены. В данном случае пена при подъеме упирается в металлическую поверхность понтона и, скользя по его днищу, наклонно поднимается на поверхность горящей нефти. Здесь проявляется другой отрицательный момент сопутствующего фактора — высокая скорость поверхностных потоков нефти, которые препятствуют образованию сплошного пенного слоя.
Основываясь на результатах работ Блинова - Худякова [12], в которых исследовалась гидродинамика процесса движения жидкости, увлекаемой струей воздуха, можно определить объем нефти, который поднимается вместе с пеной на поверхность.
Форма пространства, в котором происходит движение водного потока, описывается конусом, вершина которого расположена в нижней части резервуара, в устье пенного насадка [12]. В работе [13] представлена система уравнений, позволяющая осу-
ществить анализ процесса взаимодействия пены с нефтепродуктом.
Как и в случае применения огнетушащих дисперсных систем, где увлекается окружающая среда — воздух, здесь увлекается жидкая среда — нефтепродукт, что снижает огнетушащую эффективность пены. В этом случае для достижения последней необходим слой пены большей толщины, чтобы она могла покрыть возвышенные участки нефтепродукта.
Даже когда пожар локализован и ликвидирован, в месте выхода пены на поверхность из-за встречного движения к пене ГЖ остаются практически не закрытыми обширные участки.
Характерные кривые зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены представлены на рис. 5 и 6. Из них видно, что кривая удельного расхода проходит через хорошо выраженный минимум, что подтверждает двойственный механизм тушения пеной, при котором повышение интенсивности подачи пены ведет преимущественно к увеличению толщины ее слоя, что не только не снижает времени тушения, но и приводит к увеличению ее удельного расхода. Кривая удельного расхода пены позволяет определить оптимальную интенсивность ее подачи при тушении пламени гептана.
В процессе горения температура поверхностного слоя жидкости устанавливается на уровне температуры кипения, за вычетом тепла, отбираемого
I
л о.
к л
и
и £
0,05 0,10 0,15 0,20
Интенсивность, кгДм^с)
Рис. 5. Зависимость времени тушения гептана (/) и удельного расхода (2) от интенсивности подачи пены, полученной из 6 %-ного раствора пенообразователя "Шторм"
100 90 80 70-
§
0 60 о
50
§ 40
и
Л
Я 30
20 10-
■
4
\ \ о-
сД 3' 2'
□ д\ ч
о- а -
^ 2
3,5
3,0 2'5
2,0
I
л
1,5 «
1,0 0,5
£
0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 Интенсивность, кг/(м2-с)
0,13
Рис. 6. Зависимость времени тушения (1-4) и удельного расхода (1'-3') от интенсивности подачи пены, полученной из растворов пенообразователей Бушэр 1 % (1, 1'), Бушэр 3 % (2, 2'), СайзрБ 3 % (3, 3'); Сайэр 1 % (4)
испаряющимися молекулами углеводорода. Температура поверхности быстро растет, несмотря на то что внутри объема жидкости сохраняется исходная температура, равная температуре окружающей среды. Чем дольше продолжается горение, тем выше становится температура в объеме горючего.
Если горит нефть или бензин, то прогревание жидкости происходит энергично, что ведет к образованию гомотермического слоя, температура которого определяется температурой кипения высокомолекулярных гомологов топлива.
В случае экспериментов по тушению пламени гептана гомотермический слой не образуется, а жидкость прогревается в глубину постепенно. Профиль температуры от поверхности в глубину слоя имеет экспоненциальный характер. Уже в первые 15-20 с температура поверхностного слоя становится близкой к температуре кипения. Толщина прогретого слоя в случае горения индивидуальной жидкости зависит от времени свободного горения. Для анализа взаимодействия нагретой поверхности с раствором пенных пленок примем, что толщина прогретого слоя определяется диапазоном температур — от температуры кипения углеводорода до температуры, при которой молекулы ПАВ — пенообразователя утрачивают поверхностную активность. В этой модели разрушение пены будет продолжаться до тех пор, пока температура в поверхностном слое гептана не снизится до температуры, обусловленной природой пенообразователя. Эта (предельная) температура определяется путем измерения поверхностного натяжения водных растворов, которое проводят при различных температурах.
Контактное разрушение пены от действия нагретой во время свободного горения жидкости про-
5 № ш О
Е
и о №
X
6
я о И
50 45 40 3530 2520 1510 50
-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 Логарифм концентрации, % масс.
б
А-"* .. .-А. -А 4 ■-А--1 к- - А- - -А
3
Геп ган - -о . - -2"
/ -о
о' 2\
20
3
10 1
0
Я
•х
-10
й
&
-20 Ё
и
18
-30 Я а
-40 п п
И
-50
60
г
К" 50-з
и к
I 40-
£ № и о
В
и
о &
а о
и
30
20
10
0
-2,0
"А 4
\
\ ----♦
-4-----»
Гепта н
..о--- О-,
' 3 -о- О---О
о
2
20 -15 10 -5 0
-5 -10 -15 -20 —25 —30
и К
я
•е •е
т £
-1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 Логарифм концентрации, % масс.
1,0
Рис. 7. Изотермы поверхностного (1) и межфазного (2) натяжения и коэффициент растекания водного раствора по гептану (3) и гептана по раствору (4) для пен, полученных из растворов лауретсульфата натрия (оксиэтилированного ал-килсульфата натрия) (а) и оксида амидоамина (б)
исходит по периметру растекающейся пены или по всей площади контакта. Удельная скорость контактного разрушения пены зависит от площади открытой поверхности, еще не покрытой пеной. В зависимости от природы стабилизатора пены удельная скорость ее разрушения может сохранять постоянное значение или постепенно снижаться по мере покрытия пеной горящей поверхности.
Механизм взаимодействия пены с нагретым слоем углеводорода можно представить моделью, которая базируется на анализе изотерм поверхностного и межфазного натяжения на границе с углеводородом. Результаты систематических исследований изотерм, полученных с использованием ПАВ различного химического строения, представлены на рис. 7.
Физический смысл коэффициента растекания — это демонстрация сил, которые приложены к линии
контакта горючего с раствором. Если коэффициент растекания раствора положителен, то за счет поверхностного давления водный раствор будет растекаться по углеводороду, несмотря на то что плотность водного раствора выше, чем у гептана. Но если поверхностное натяжение рабочего раствора пенообразователя окажется заметно выше, чем у гептана, то поверхностное давление, величина которого определяется коэффициентом растекания, начнет продвигать гептан по поверхности водного раствора пенообразователя.
Если коэффициент растекания горючего по водному раствору пенообразователя при комнатных условиях положителен (см. рис. 7), то в условиях нагретого гептана поверхностное давление становится еще больше, поэтому при контакте с нагретой поверхностью происходит натекание углеводорода горячего гептана на поверхность пенных пленок.
Пленки пены достаточно тонкие, поэтому процесс их нагревания происходит практически мгновенно. В дальнейшем разрушенные пленки в виде маленьких капель попадают в нагретый поверхностный слой гептана и охлаждают его за счет конвективного теплообмена. Модель контактного взаимодействия поверхностного слоя пены и нагретого гептана показана на рис. 8.
Скорость контактного разрушения пены определяется, в первую очередь, предельной температурой, при которой утрачивается поверхностная активность пенообразователя, и температурой поверхностного слоя горящего углеводорода.
Температура поверхностного слоя при контакте с пеной будет определяться количеством тепла, которое пойдет на нагревание капель, выделившихся из разрушенной пены. В результате теплообмена капель раствора и жидкости в поверхностном слое температура поверхности гептана под пеной будет снижаться. Чем сильнее разрушается пена, тем быстрее снижается температура поверхностного слоя. Если предельная температура, при которой утрачивается стабилизирующее действие ПАВ, сравнительно высока, то пена быстро приобретает устойчивость, и ее разрушение будет происходить по периметру пенного слоя, где температура поверхности велика. Если предельная температура близка к комнатной, то разрушение пены будет продолжаться вплоть до пол-
Капля раствора
Рис. 8. Фрагмент модели контактного взаимодействия пены с нагретой жидкостью: — — направление тепловых потоков от капли и к капле
ного покрытия ею горящей поверхности. После этого поверхностный слой углеводорода перестанет получать дополнительное тепло от факела пламени, и пена начнет разрушаться под действием тепла, "запасенного" в то время, когда поверхность еще была открыта.
На рис. 9,а показан фрагмент "холостого" эксперимента по контактному взаимодействию пены с гептаном, когда пламя уже погашено с помощью металлической крышки, но поверхность гептана остается разогретой до высоких температур в результате предварительного горения. Пену подавали сразу после потухания пламени.
Снижение температуры поверхностного слоя происходит в результате съема тепла водным раствором, капающим из разрушенной пены. Наличие пламени практически не сказывается на процессе покрытия горящей поверхности пеной. На рис. 9,6 представлен фрагмент процесса тушения пламени гептана той же пеной, что и на рис. 9,а. Сопоставление этих снимков наглядно демонстрирует определяющую роль контактного разрушения при подаче пены на горящую поверхность углеводорода.
Рассмотрим несколько упрощенных вариантов модели процесса тушения горящего гептана пенообразователями различной природы в зависимости от предельной температуры, при которой утрачивается поверхностная активность стабилизатора пены. В этих моделях не учитывается процесс тепломассообмена в процессе тушения пламени. Анализ роли сопутствующего фактора проведем после вывода
Рис. 9. Демонстрация "холостого" опыта по разрушению пены за счет контакта с предварительно нагретой пламенем поверхностью гептана (а) и контактного разрушения пены в процессе тушения пламени гептана (6)
уравнения, связывающего время тушения пламени с интенсивностью подачи пены.
В этой модели разрушение пены происходит в слое, примыкающем к линии продвижения пены по горящей поверхности углеводорода. Принимается, что при радиальном движении пены разрушению подвергается наружный слой пены шириной I. Уравнение материального баланса имеет вид:
цДт = 2лгК р/■Ш1 Дт + 2лгК р/Дг, (17)
где ц — массовый расход пены, кг/с; г — радиус окружности слоя пены, м; Р/ — плотность пены, кг/м3; и1 — удельная скорость контактного разрушения пены в слое толщиной I, кг/(м2-с); х — время тушения, с.
После интегрирования и определения константы интегрирования по начальным условиям т = 0, г = 0 получим решение уравнения:
т = -
^ {г + g 1 Inf 1 - 2ПН PfU'h |. (18) Ull [ 2nklUl pf J [ q 1 V '
В следующей модели контактное разрушение пены, нагретой поверхностью горючей жидкости, происходит с одинаковой удельной скоростью и, которая остается неизменной в течение всего времени тушения. Такой вариант возможен, если предельная температура потери поверхностной активности низкая и в процессе тушения поверхность контакта не успевает охладиться до предельной температуры.
Материальный баланс пены может быть традиционно представлен уравнением
qAT = SUAT + AS Pfk,
(19)
где 5 — площадь поверхности ГЖ, покрытой пеной, м2.
В этой модели толщина слоя пены определяется массовым расходом и плотностью и не зависит от времени, поэтому вначале можно решить уравнение (20), а затем подставить в него значение параметра h, выраженного через ц.
Решение уравнения (20) для граничных условий т = 0 при 5 =0 имеет вид:
in I 1 = u т.
q
р fk
Заменив q/S0 на J, т. е. J = q/S0 (где S0
(20)
пло-
щадь поверхности резервуара), получим формулу
(21)
т = - kPLlnf 1 - U KU l J
где К — кратность пены, введенная вместо р/; Р/ = Р0К;
р0 — плотность пенообразующего раствора.
Введем обозначения:
a = ß S0 n/2; b = kx n/2; n = p0/(KU),
где Кт — минимальная толщина слоя пены, м.
В данной модели сопутствующее действие вводится предположением, что толщина слоя пены в непосредственной близости от падающей пены пропорционально нарастает по мере увеличения ее расхода или интенсивности подачи, т. е.
где kq
kq = ßq,
максимальная толщина слоя пены;
(23)
Р — константа, мало изменяющаяся с ростом ц.
Минимальная толщина слоя пены ^ при естественной гравитации определяется равенством т/(^ р/£) = 1, из которого следует:
К = т//). (24)
Выражение (24) для Кт с учетом формул (22) используется при анализе материального баланса пены в процессе тушения горючей жидкости.
Величину ц заменим на /путем деления на площадь поверхности резервуара:
т = - (aJ + b)ln| 1 - U | ■
(25)
Формула (25) является основой для поиска сопутствующего процесса при тушении пламени пеной. Если при / ^ да время тушения окажется постоянной величиной, то анализ сопутствующего явления — неоправданного роста толщины пенного слоя с увеличением интенсивности подачи пены позволит определить оптимальную интенсивность подачи пены и ее соотношение с критической интенсивностью:
Нт (-т) = Нт|а/ 1пГ1 - и 1 + Ь 1п(1 - и; (26)
j ^^
U
-J/U
lim (-т) = -aU in j lim 11 - у | } = -aU. (27)
Наличие предела — постоянной величины aU позволяет отыскать оптимальную интенсивность подачи пены Jopt, при которой ее удельный расход на тушение пламени горючей жидкости Q окажется минимальным. Удельный расход пены рассчитывается по формуле
Q = Jt = (aJ2 + bJ) ln f 1 - U
(28)
Минимальный расход пены определим, приравняв производную от Q к нулю:
Ьи
J = <*J + b)ln11 - U
aU
j = 0. (29)
Разложим выражение под логарифмом в ряд Маклорена и для рассмотрения ограничимся двумя первыми членами этого ряда. Получим квадратное уравнение, один из корней которого положителен:
Jopt = U
1 + V 1 + Ъ/ (2aU )
(30)
В области интенсивностей, близких к оптимальным, можно принять, что отношение Кт/и близко к К //.В этом случае
Ь/(2аЦ) = 0,5 (31)
и соответственно:
= 2,2 и. (32)
Удельная скорость контактного разрушения пены равна критической интенсивности подачи пенооб-разующего раствора, т. е. и ~ /кр, поэтому
(33)
Минимальный расход пенообразователя на тушение единицы площади поверхности горючей жидкости определяется подстановкой значения
/ =2,2 и.
Отношение Ь/(аЦ) анализировалось ранее и в области интенсивностей, близких к оптимальным, в результате чего получено: Ь/(аЦ) = 1. В соответствии с этим упрощается и вид формулы:
J = il J
Jopt — ? J кр*
Qmin = 2aJ2 ln| 1 - U
(34)
Используя ряд подстановок и выражение J = 2,2 U, получим:
,Роhq U
Qm
= 2,9-
K J
(35)
В соответствии с формулой (35) минимальный расход пенообразователя прямо пропорционален удельной скорости контактного разрушения пены и
высоте пенного слоя вблизи места подачи пенной струи.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод о двойственном универсальном механизме тушения пламени огне-тушащими веществами, который включает основное и сопутствующее действие огнетушащего вещества: основное — снижение температуры в зоне горения поглощением тепла на фазовые превращения (испарение, разложение и нагревание, снижение интенсивности поступления горючего компонента); сопутствующее — увлечение дисперсной системой дополнительного объема воздуха в зону горения (например, как при тушении газами или водой) или создание условий, препятствующих растеканию, например, пены, а также повышение температуры и расширение зоны горения и, как следствие, снижение эффективности огнетушащего вещества. Действие сопутствующего процесса приводит к дополнительным потерям огнетушащего вещества и снижению его огнетушащей эффективности. Чем выше интенсивность подачи огнетушащего вещества, тем сильнее выражен сопутствующий эффект.
Наличие двойственного механизма тушения огне-тушащим веществом обуславливает существование оптимальной интенсивности подачи и минимального удельного расхода его при тушении пламени твердых горючих материалов и ГЖ.
Расчетные соотношения для определения флег-матизирующей концентрации хладонов и нейтральных газов, определения оптимальной и критической интенсивности подачи огнетушащих веществ (химически активных ингибиторов, нейтральных газов, распыленной воды, пены) при различных способах подачи на горючую жидкость дают возможность количественно обосновать двойственный механизм тушения пламени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Morgan H. P., Bullen M. L. A method of extracting smoke from buildings using a water-air jet pump [Метод удаления дыма из зданий с помощью водовоздушных струйных насосов] // Fire Technology. — 1976. — Vol. 12, Issues 4. — P. 311-320. doi: 10.1007/BF02624808.
2. ШрайберГ., Порет П. Огнетушащие средства. Химико-физические процессы при горении и тушении. — М. : Стройиздат, 1975. — 240 с.
3. Шароварников А. Ф., КорольченкоД. А. Тушение горючих жидкостей распыленной водой // По-жаровзрывобезопасность. — 2013. — Т. 22, № 11. — С. 70-74.
4. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник: в 2-х ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. I. — 713 с.
5. Корольченко А. Я., Навценя В. Ю. Влияние инертных частиц на нижний концентрационный предел распространения пламени // Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в промышленности. — М. : ВНИИПО, 1987. — С. 17.
6. SharovarnikovA. F., Korol'chenko D. A. Fighting fires of carbon dioxide in the closed buildings // Applied Mechanics and Materials. —2014. — Vol. 475-476. —P. 1344-1350. doi: 10.4028/www.scientific.net/ AMM.475-476.1344.
7. Шароварников А. Ф., Корольченко Д. А. Тушение горючих жидкостей высококипящими хладо-нами // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 5. — С. 67-71.
8. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., Ляпин А. В. Тушение многокомпонентных смесевых топлив фторсинтетическими пенообразователями подслойным способом // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 6. — С. 76-80.
9. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Основные параметры процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной низкой кратности // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 7. — С. 65-73.
10. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Тушение пламени огнетушащими порошками и аэрозольными составами // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 8. — С. 63-68.
11. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Тушение пожаров инертными газами в модели помещения с проемами // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 2. — С. 65-70.
12. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей.—М. : АН СССР, 1961.—208 с.
13. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П., Воевода С. С., Шароварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М. : Изд. дом "Калан", 2002. — 448 с.
Материал поступил в редакцию 27 октября 2014 г.
= English
ANALYSIS OF THE DUAL FIRE SUPPRESSION MECHANISM
KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: ICA_kbs@mgsu.ru)
SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: ICA_kbs@mgsu.ru)
ABSTRACT
It is shown that suppression of flame by fire extinguishing agents is characterized by dual mechanism of this process including the main and the concurrent effects of fire extinguishing agent. It is determined that the action of concurrent effect leads to losses of fire extinguishing agent and deterioration of its extinguishing efficiency. Procedure of determination of optimal flow rate, by the example of the sprayed freon, during suppression of hydrocarbon pouring is considered. The structure of concurrent factor in case of "sublayer" supply of low expansion foam during suppression of the tank with oil product is considered. The simplified models of suppression process of heptane are considered.
Keywords: dual mechanism of suppression; extinguishing agent; the optimal and the critical flow rate; suppression of a local hydrocarbon pouring.
REFERENCES
1. Morgan H. P., Bullen M. L. A method of extracting smoke from buildings using a water-air jet pump. Fire Technology, 1976, vol. 12, issues 4, pp. 311-320. doi: 10.1007/BF02624808.
2. Schreiber G., Porst P. Ognetushashchiye sredstva. Khimiko-fizicheskiyeprotsessyprigorenii i tushenii [Fire extinguishing agents. Chemical and physical processes while burning and suppression]. Moscow, Stroyizdat, 1975. 240 p.
3. SharovarnikovA. F.,Korol'chenkoD.A. Tusheniyegoryuchikhzhidkosteyraspylennoyvodoy[Extinguishing of combustible liquid by atomized water]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 11, pp. 70-74.
4. Korol'chenko A. Ya., Korol'chenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik. 2-e izd. [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting. Reference. 2nd ed.]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004. Part I, 713 p.
5. Korol'chenko A. Ya., Navtsenya V. Yu. Vliyaniye inertnykh chastits na nizhniy kontsentratsionnyy predel rasprostraneniya plameni [Influence of inert particles on the lower concentration limit of distribution of a flame]. Pozharnaya opasnost veshchestv i materialov, primenyayemykh vpromyshlennosti [Fire hazard of substances and materials used in industry]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, 1987, p. 17.
6. Sharovarnikov A. F., Korol'chenko D. A. Fighting fires of carbon dioxide in the closed buildings. Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 475-476, pp. 1344-1350. doi: 10.4028/www.scienti-fic.net/AMM.475-476.1344.
7. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tusheniye goryuchikhzhidkostey vysokokipyashchimikhla-donami [Combustible liquids suppression with high-boiling halons]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 5, pp. 67-71.
8. Sharovarnikov S. A., Korol'chenko D. A., Lyapin A. V. Tusheniye mnogokomponentnykh smesevykh topliv ftorsinteticheskimi penoobrazovatelyami podsloynym sposobom [Extinguishing of the multi-component composite fuels by aqueous film forming foam by sublayer way]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 6, pp. 76-80.
9. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Osnovnyye parametry protsessa tusheniya plameni neftepro-duktov penoy nizkoy kratnosti [Main parameters of extinguishing of the oil flame by low expansion foam]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 7, pp. 65-73.
10. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tusheniye plameni ognetushashchimi poroshkami i aerozol-nymi sostavami [Extinguishing of a flame by dry chemical powders and aerosol compositions]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 8, pp. 63-68.
11. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tushenie pozharov inertnymi gazami v modeli pomeshche-niya s proyemami [Fire extinguishing by inert gases in the model of room with openings]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 2, pp. 65-70.
12. Blinov V. I., Khudyakov G. N. Diffuzionnoye goreniye zhidkostey [Diffusion burning of liquids]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 1961. 208 p.
13. Sharovarnikov A. F., Molchanov V. P., Voevoda S. S., Sharovarnikov S. A. Tusheniye pozharov nefti i nefteproduktov [Fire extinguishing of oil and oil products]. Moscow, Kalan Publ., 2002. 448 p.
