Исследование свойств высокократной противопожарной пены Текст научной статьи по специальности «Физика»

Тушение пожаров

УДК 614.84.664

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫСОКОКРАТНОИ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ПЕНЫ

С. С. Воевода*

Академия Государственной противопожарной службы МЧС России

Представлены современные методы и методики исследования свойств высокократной противопожарной пены.

Пена высокой кратности используется для заполнения больших объемов производственных помещений. По мере заполнения объема снижается скорость заполнения. Это объясняется тем, что с ростом высоты пенного столба увеличивается гидростатическое давление в пенных каналах нижних слоев, что приводит к разрыву пенных пленок и, как следствие, к разрушению пены. Параметром, характеризующим гидростатическую устойчивость пены, является предельное капиллярное давление, которое пена способна выдержать.

Для исследования влияния предельного капиллярного давления в пенных каналах на устойчивость высокократной пены использовался компенсационный метод измерения капиллярного давления в пенных каналах [3,4].

Суть метода заключается в определении компенсационного давления, соответствующего капиллярному, создаваемому в пенных каналах за счет кривизны их мениска.

Схема установки по определению капиллярного давления компенсационным методом представ-ленанарис. 1.

Перед началом измерений в ячейку 4 заливают раствор поверхностно-активных веществ (ПАВ) (пенообразователя) того же состава и концентрации, который используется для получения высокократной пены. В ячейку вмонтирована сетчатая мембрана 5, предотвращающая самопроизвольное истечение раствора ПАВ. Затем в ячейку вставляется индикаторный капилляр 8 таким образом, чтобы в ней не оставался воздух. Мениск жидкости в капилляре совмещается с нулевой отметкой на измерительной шкале 9.

Пеногенератор выводится на стабильный режим работы, достигается максимально возможная кратность пены, которая фиксируется автоматическим измерителем кратности пены ИКРАП, вынос-

РИС.1. Схема установки для определения капиллярного давления в пенных каналах компенсационным методом: 1 — микропеногенератор; 2 — распылитель; 3 — пакет сеток; 4 — ячейка с раствором ПАВ; 5 — сетчатая мембрана; 6 — исследуемый раствор ПАВ; 7 — уплотнитель; 8 — индикаторный капилляр; 9 — измерительная шкала; 10 — соединительный тройник; 11 — гибкие шланги; 12 — шприц-компенсатор; 13 — жидкостный и-образный манометр; 14 — утилизатор пены; 15 — пена; 16 — выносные электроды измерителя кратности пены ИКРАП

Автор выражает огромную благодарность своему учителю — докт. техн. наук, профессору А. Ф. Шароварникову, ведущему специалисту в области обеспечения противопожарной защиты объектов топливно-энергетического комплекса страны, за анализ и критику результатов работы.

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 5'2004

А

т м т 1Ш

РИС.2. Схема устройства для измерения дисперсности пены: 1 — игольчатый электрод; 2 — плоский электрод; 3 — пенопровод; 4 — частотомер; 5 — осциллограф запоминающий С8-13; 6 — сопротивление нагрузки датчика; 7 — стеклянная трубка; 8 — парафин; 9 — золотая нить-электрод

ные контакты которого находятся в пенном потоке. Затем ячейка сетчатой мембраной вводится в пенный поток. Под действием капиллярного давления раствор ПАВ, находящийся в ячейке, начинает всасываться в пенные каналы. В ячейке создается разряжение, которое фиксируется перемещением мениска жидкости в индикаторном капилляре. Далее шприцем-компенсатором создается компенсирующее разряжение, под действием которого мениск жидкости в капилляре возвращается на нулевую отметку. Величина компенсирующего разряжения фиксируется на жидкостном и-образном манометре 13.

Определение среднего диаметра пузырьков в пене — важный этап контроля структуры (дисперсности) получаемых высокократных пен. Для измерения дисперсности пены используется устройство, схема которого представлена на рис. 2.

Метод основан на регистрации изменений тока в цепи электродов 1 и 2, помещенных в пенный поток. Изменение тока происходит благодаря чередованию пенных пленок с пузырьками воздуха. Электроды вмонтированы в пенопровод 3. Игольчатый электрод 1 состоит из стеклянной трубки 7, заполненной парафином 8, через которую пропущена золотая нить 9. Питание измерительной цепи установки осуществляется любым стабилизированным источником постоянного тока. К измерительной цепи установки через сопротивление нагрузки 6 подключен запоминающий осциллограф 5 и частотомер 4.

По мере продвижения пены по пенопроводу игольчатый электрод поочередно контактирует то с пузырьками воздуха, то с пенными пленками, что

вызывает ток в измерительной цепи импульсного характера.

Эти импульсы регистрируются на экране осциллографа (тип С8-13), а подсчет числа импульсов осуществляется частотомером (тип: электроно-счетный 43-33). Скорость движения пены за один цикл измерений должна быть постоянной.

Зная линейную скорость движения пены по пе-нопроводу, средний диаметр пенных пузырьков определяется из соотношения:

Аср ~ п-1'

(1)

где

ср средний диаметр пузырьков пены, м; и—линейная скорость движения пены, м/с; х — время одного цикла измерений, с; п — количество импульсов тока за один цикл измерений.

Погрешность измерений составляет ± 7% при среднем диаметре пузырьков пены не менее 0,3 мм.

Для исследования влияния природы ПАВ на структуру пены при ее получении использовался метод измерения электроосмотического переноса жидкости, максимальная величина которого является характеристикой гидродинамического сопротивления структуры пены.

Существование электрокинетического потенциала на границе раздела жидкостной и газовой фаз обуславливает течение жидкости в пенных пленках и каналах под действием электрического тока.

Сущность метода заключается в синхронной фиксации величины тока, возбуждающего перенос жидкости в пенных каналах, объема жидкости, выделенной из пены, и времени, в течение которого происходил перенос жидкости.

На рис. 3 показана схема экспериментальной установки для измерения электроосмотического переноса в высокократных пенах. Пена непрерывно подается по трубопроводу, изготовленному из органического стекла. С противоположных стен трубопровода внутрь введены два датчика 2 с сетчатой металлической мембраной 3. В датчиках герметично смонтированы хлорсеребряные электроды 4 и измерительный стеклянный капилляр 5, который гибким шлангом через буферную емкость 6 соединен со шприцем 7 и И-образным жидкостным манометром 8. Температура пены в районе датчиков контролируется чувствительным элементом электронного измерителя температуры (ЭИТ-2). Измерительный комплекс состоит из гальваностата 9, ампер- и вольтметра 10, пульта управления 11 и самопишущего потенциометра 12.

Перед измерениями датчики заполняли исследуемым раствором пенообразователя и с помощью шприца устанавливали мениск жидкости в капил-

4

5

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ

РИС.3. Схема установки для измерения электроосмотического переноса в высокократных пенах: 1 — пенопровод; 2 — корпус измерительного датчика; 3 — пористая металлическая перегородка; 4 — электроды; 5 — капилляр с измерительной шкалой; 6 — буферная емкость; 7 — шприц; 8 — манометр; 9 — стабилизированный источник тока; 10 — измерительный блок; 11 — пульт управления; 12 — самопишущий потенциометр

ляре на нулевое деление шкалы. При соприкосновении датчиков с пеной наблюдался отток жидкости к пене под действием капиллярного давления пенных каналов, поэтому перемещением штока шприца создавали дополнительно разряжение над мениском в капилляре, которым компенсировали всасывающее действие пены. В результате синхронно с электрокинетическими измерениями определяли собственное давление в пенных каналах. Величина дав-

ления, отсчитанная по манометру, принималась в качестве "нулевой" и в дальнейшем вычиталась из показаний прибора.

При установившемся движении пены по трубопроводу со скоростью 0,1...0,5 см/с на электроды подавали постоянный ток, величину которого меняли в диапазоне от 0,1 до 2 мА в зависимости от интенсивности процесса электроосмотического переноса жидкости. Величину тока и время прохождения мениском жидкости отдельных участков капилляра фиксировали на ленте самописца с пульта управления и контролировали цифровыми измерителями тока и напряжения.

При обработке результатов измерений для расчетов скорости электроосмотического переноса использовали усредненные значения силы тока, если ее величина менялась в процессе измерений. Для получения воспроизводимых результатов внутреннюю поверхность пенопровода в районе измерительных датчиков покрывали парафином, чтобы не допустить течения электрического тока по контуру смачивающих пленок раствора.

Расчет максимального электроосмотического давления производили, исходя из соотношения:

РЭМ - Pmax р,

(2)

гдеРэм — максимальное электроосмотическое давление в пенных каналах, кПа; Ртах — максимальное компенсационное давление, определенное по манометру, кПа; Ра — капиллярное давление в пенных каналах, кПа.

Таким образом, описаны методы и методики исследования некоторых электрокинетических и физико-механических свойств высокократной противопожарной пены.

4

ЛИТЕРАТУРА

1. Шароварников А. Ф., Цап В. Н. Распределение жидкости в каналах и пленках пен // Кол-лоидн. ж. 1983. Т. 45. №1.С. 120.

2. Шароварников А. Ф., Цап В. Н. Электроосмотический перенос жидкости в пенах // Коллоидн. ж. 1982. Т. 44. № 4. С. 754.

3. Христов X., Кругляков П. М., ЕксероваД. Влияние давления в Гиббсовых каналах на устойчивость пен: Тезисы VII Международного конгресса по ПАВ. — М.: Внешторгиздат, 1976. С. 64.

4. Христов X. И., Ексерова Д. Р., Кругляков П. М. Время жизни пены при постоянном давлении в каналах Плато-Гиббса как характеристика устойчивости // Коллоидн. ж. 1983. Т. 24. № 5. С. 85.

Поступила в редакцию 20.01.04.