CC BY
16
Д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры Академии ГПС МЧС РФ
С. С. Воевода
Канд. техн. наук, заместитель начальника Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС РФ
В. П. Крейтор
Адъюнкт Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС РФ
В. В. Бузюк
УДК 614.84.664
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ТУШЕНИЯ ПОЖАРА В ЗАДЫМЛЕННОЙ НАСОСНОЙ ПЕНОЙ ВЫСОКОЙ КРАТНОСТИ
Предложен метод математического моделирования процесса тушения нефтепродуктов пеной высокой кратности. Приводятся количественные соотношения, которые характеризуют различные процессы, проистекающие в пене в момент накопления и разрушения. Приведены зависимости, описывающие влияние коллоидно-химиче-скиххарактеристик высокократной пены на ее структурные и количественные параметры.
Независимо от вида используемого генератора пены высокой кратности в первые секунды его работы в задымленном помещении пена практически не образуется. Чем лучше конструкция генератора и состав пенообразователя, тем меньше период индукции, в течение которого наличие дыма препятствует образованию пены. В период индукции задымленный воздух проходит через пеногене-ратор, и в результате действия распыленной водной струи происходит частичная коагуляция частиц дыма, которые вместе с водой оседают на пол помещения. В итоге наблюдается снижение концентрации дыма в помещении.
Поэтому тушение пожара в задымленной насосной пеной высокой кратности происходит в два этапа: на первом пена практически не образуется и через пеногенератор проходят продукты горения, которые скопились в насосной в результате горения пролива нефтепродукта.
После снижения концентрации дыма в воздухе насосной до максимально допустимой начинается процесс образования пены, но из-за предварительного воздействия дыма на материал генератора образование пены происходит с меньшей интенсивностью, чем на свежем воздухе.
По опыту зарубежных компаний принимается, что период индукции не должен превышать 30 с.
Количество генераторов пены определяют из двух вариантов расчета:
• возможности пропустить за 30 с половину объема воздуха в помещении насосной;
• обеспечить процесс тушения пламени в насосной за время не более 60 с.
Принимается вариант расчета с большим количеством генераторов пены.
Например, при площади пола насосной 50 = = 300 м2 и высоте Н = 6,0 м вентилируемый объем помещения ¥к составит:
Ук = 1800/2 = 900 м3.
Производительность одного генератора пены qg = 5 м3/с.
Количество генераторов, обеспечивающих время индукции т7 = 30 с, может быть определено по формуле:
N = /30д? = 900/(30-5,0) = 6.
(1)
Исходя из условий вентиляции, необходимо использовать шесть генераторов с производительностью qg = 5 м3/с.
Время тушения пожара в насосной оценивают по уравнению, полученному на основе модельных представлений о механизме тушения пожара пеной высокой кратности. При этом учитывается разрушение пены горящим топливом и дымом, оставшимся в воздухе насосной. Кроме того, при невысокой интенсивности подачи пены принимается во внимание процесс самопроизвольного разрушения пены из-за возросшего капиллярного давления в пенных каналах. Формула для оценки времени ту-
шения пожара в насосной получена в следующем виде:
-т =
0
3и 5„ + Ъ5»
1п
1 -
(5 0 ъ + ъии^г) и
дК у - и у п у 5 0
(2)
где 50 — площадь помещения, м ;
д — секундный расход пенообразующего раствора, л/с;
и,
удельная скорость разрушения пены от
воздействия дыма, м /(м -с); и^ — удельная скорость разрушения пены пламенем нефтепродукта, м3/(м2-с); 5у — суммарная площадь поверхности пенных пузырьков в помещении, м2, 5у = 350/г; г — средний радиус пенных пузырьков, м; 50 — площадь помещения, м2; И — высота помещения, м; Ъ — коэффициент пропорциональности, 1/с; Пу- — коэффициент формы пузырьков пены, Пу- < 1, принимается равным 0,25; 5г = Б0/г.
Расчетное уравнение, представленное в виде формулы (2), позволяет определить величину критической интенсивности Jк подачи пенообразующего раствора через генераторы на единицу площади помещения насосной, при которой время тушения стремится к бесконечно большой величине:
1=
(5 0 Ъ + 3Ш,5г )И
или
Jк =
дК ^ - и уп у 5 0
(5 0 Ъ + 3Ии,Бг) И + и/п/Б 0 К/5 0
(3)
Исходные параметры и константы для решения уравнения (2), полученного на основе модельных
Таблица 1. Исходные параметры и константы для решения уравнения (2)
50, м2 И, м и , м/с и/, м/с Ъ, 1/с г, м 5г, м
300 6 0,001 0,08 0,001 0,01 30000 0,25
Таблица 2. Расчет времени тушения
,кг/с я* д, кг /с К , с
2,0 4 8 400 184
3,0 4 12 400 118
6,0 4 24 400 57
8,0 4 32 400 42
10,0 4 40 400 34
представлений о механизме тушения пожара пеной высокой кратности, приведены в табл. 1. Расчетные величины времени тушения представлены в табл. 2.
Модель процесса тушения пожара в помещении пеной высокой кратности
Разработка модели процесса тушения пожаров пенами связана с необходимостью выявления взаимосвязи огнетушащей эффективности пены с ее физическими параметрами и свойствами нефтепродукта.
Разрушение пены происходит во всем объеме пенного слоя от воздействия частиц дыма, находящихся в пузырьках пены, а также в поверхностном слое от воздействия гидростатического давления, которое развивается в пенных каналах:
дКу йт = и/П/Б0 йт + и 5уйт + ик 50 йт + 50 йк, (4)
где ик — скорость разрушения пены в поверхностном слое, м/с;
к — средняя высота слоя пены, м. Значение и определяется из соотношения:
и =т.
р5 т ;
(5)
где т — масса пены, разрушенной от воздействия дыма, кг;
р — плотность пены, кг/м3; 5 — площадь поверхности разрушенной пены, м2; т — время разрушения, с.
йт =
5 0йк
(6)
дКу - иуп5 0 - и,5г - ик5 0
ик = Ък ; Ъ = ик/к = 0,5/3,
где Ъ [1/с] и с — коэффициенты пропорциональности;
п <1, обычно принимается равным 0,25;
2 2 V
5 = 4 пг 2 п = 4 2 г пены
5 у = 4 пг п пузырьков = 4 пг л
4 3
— пг 3
3V
и.
(7)
где ппузырьков — количество пенных пузырьков на площади поверхности пены в помещении;
Vпены — объем пены м3. Уравнение (4) примет следующий вид:
50
йт =
дКг - иупБ 0 - и85у - икБ 0
йк. (8)
После решения дифференциального уравнения (8) и ряда математических преобразований и упрощений получена формула:
qdт = и,
3У
пены dт + ЪНБ^т + 50dк.
Преобразуя уравнение (9), получим 5 0
dт =
q - и,
3У
и.
dк.
(9)
(10)
-рк5 0
Так как Упены = 50 к, получим:
5 0
dт =
q -I и,- + р| 50к
■ dк.
(11)
Проинтегрировав дифференциальное уравнение (11) в начальных условиях т = 0, к = 0, получим:
1
т=
1п
и,- + Р
1-
и, 3 + Р| 5 0 к
(12)
где т — время тушения.
Из выражения (12) путем преобразований можно выразить зависимость заполнения помещения от времени в явном виде:
Тушение пожара заполнением помещения пеной высокой кратности
Процесс тушения пожара высокократной пеной осуществляется заполнением помещения пеной. Эта модель отличается меньшими значениями удельной скорости разрушения пены от пламени и контакта нагретого нефтепродукта по сравнению со скоростью гидростатического разрушения пены.
Для тушения пожара в помещении насосной может использоваться различное количество пено-генераторов. На рис. 1 представлен пеногенератор, устойчиво работающий в задымленной атмосфере замкнутого помещения.
Увеличение высоты слоя пены ведет к синхронному росту гидростатического давления в пенных каналах и разрыву пенных пленок. Чем больше высота пенного слоя, тем выше скорость разрушения пены.
Приняв, что удельная скорость гидростатического разрушения пены ик пропорциональна высоте к, получаем:
и = Рь к, (15)
где рь — коэффициент пропорциональности.
Запишем уравнение материального баланса пены. Определенная часть пены разрушается в поверхностном слое:
q dт = Sodк + &> кик dт.
(16)
Так как
(
к=
5 0\и,- + р
1 - е
т \ и, 3 +
(13)
то
ик = Рк к, q/S = J,
J dt = dk + Ркк Мт.
(17)
Ч
г
Ч
Численное значение коэффициента р определяется предельным значением капиллярного давления, которое пена способна выдерживать. Величина предельного капиллярного давления пенных каналов определяется природой пенообразователя и структурой пены.
Численное значение коэффициента р составляет:
иа
р=
' АР
АР„
(14)
где иАР — скорость роста капиллярного давления в пенных каналах на начальном этапе, кПа/с; АРа тах — предельное значение капиллярного давления, кПа.
Анализируя полученную математическую модель, можно сделать вывод о том, на каком пенообразователе полученная пена будет наиболее устойчивой.
Рис. 1. Заполнение помещения высокократной пеной, полученной на генераторе, устойчивом к действию продуктов сгорания
Интегрируя дифференциальное уравнение, вытекающее из формулы (16), в пределах от т = 0 до т = тт и от к = 0 до к = Н, получим:
1 1 + и
Р к Т^Р - И
(18)
где И— высота помещения;
Р — коэффициент пропорциональности. Величина т ^ да при
Т^Р = И,
поэтому критическая интенсивность определяется следующим образом:
J = И/Р = Jкр .
(19)
Из формулы (18) можно определить высоту слоя пены в любой момент времени:
к=
^ет/т0 - 1)"
т / т 0
где
Р( е
1)
1/2
т0 = Р1/2^1/2.
(20)
(21)
Численное значение коэффициента Рк определяется предельным значением капиллярного давления, которое способна выдерживать пена. Вариант применения высокократной пены показан на рис. 2.
Рис. 2. Иллюстрация применения высокократной пены для тушения пожара в помещении
Величина предельного капиллярного давления пенных каналов определяется природой пенообразователя и структурой пены.
Анионные пенообразователи выдерживают большее капиллярное давление, чем неионогенные.
Наибольшей устойчивостью обладают пены, полученные из композиционных пенообразователей, которые содержат добавки, повышающие поверхностную вязкость пенных пленок.
т т
Поступила в редакцию 13.07.07.
