CC BY
12
йхк
Д-р техн. наук, начальник кафедры "Общей и специальной химии Академии ГПС МЧС РФ
С. С.Воевода
Канд. техн. наук, докторант кафедры "Общей и специальной химии" Академии ГПС МЧС РФ
С. А. Макаров
Соискатель кафедры "Общей и специальной химии" Академии ГПС МЧС РФ
В. А. Маркеев
Д-р техн. наук, профессор кафедры "Общей и специальной химии" Академии ГПС МЧС РФ, заслуженный деятель науки РФ
А. Ф. Шароварников
УДК 614.84.664
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТУШЕНИЯ ЕВРОТОПЛИВ ФТОРСИНТЕТИЧЕСКОЙ ПЕНОЙ
Сделана попытка математического моделирования процесса тушения евротоплив фторсинтетической пленкообразующей пеной. Представленные математические выражения выполнены в соответствии с современными представлениями процесса пенного тушения и основаны на примере материального баланса между поданной и разрушенной пеной.
В России вместе с ростом объемов нефтепереработки происходит постепенный переход топ-лив на евростандарт. Разработанный технический регламент устанавливает обязательные требования для всех стадий производства и реализации нефтепродуктов по показателям экологической безопасности, соответствующим нормам ЕС 98/70. После вступления в силу регламента производить бензин ниже норм Евро-2 будет запрещено. Существенно изменен состав топлив, введены ограничения по концентрации в них серы, свинца, ароматических и олефиновых углеводородов, а некоторые топлива, так называемые смесевые, для повышения октанового числа будут содержать спирты.
Особенность тушения евротоплив фторсинте-тической пеной состоит в том, что необходимо учитывать несколько процессов, одновременно происходящих во время тушения. Тем не менее модель строится из условия прекращения горения после полного покрытия поверхности горючей жидкости огнетушащим веществом (эффективной степени покрытия). Так как пена является пленкообразующей, то часть поверхности горючего будет покрыта пеной, а часть — пленкой. Если пена не обладает пленкообразующим действием, то расчеты производятся без учета скорости растекания водной пленки. Также принимается во внимание то, что пена будет разрушаться под воздействием тепла от факела пламени и от контакта с горючим (контактное разрушение) [1].
Эффективная степень покрытия поверхности горючего вычисляется по формулам:
0=0 г + 0,;
0 =
/
Бг +
0, =0/сУ,;
0=0 / + 0/сУ,,
(1) (1а) (2) (3)
где 0/ и 0, — часть поверхности горючего, покрытая пеной и пленкой соответственно;
и — площадь, покрытая пеной и пленкой ■' 2 соответственно, м ;
50 — площадь поверхности резервуара; У, — скорость растекания водной пленки из низкократной пены, мм/с;
с — коэффициент пропорциональности, с/мм, связывающий скорость растекания и степень покрытия поверхности горючего пленкой, при тушении горючего в модельном резервуаре составляет (1,5-2,1) а;
а — безразмерный коэффициент, зависящий от процентного содержания спирта в топливе. Приняв 1 + сУ, = Р, имеем:
0, =0 ГР -0 /;
0 = 0 /Р.
(3а) (4)
5
о
Запишем уравнение материального баланса:
дёт = р/к/Б 0ё© у + и 0 (1 -© ГР )Б о© у ¿г +
+ и0(1 - © /Р)Бо©,ёт + рА^оё©,, (5)
где д — секундный расход пены, кг/с; Ру — плотность пены, кг/м3; р^ — плотность водной пленки (равна плотности раствора пенообразователя), кг/м3; Ну — средняя высота пенного слоя, м; и0 и и0 — удельная скорость разрушения пены и пленки соответственно, кг/(м2-с); Н8 — толщина водной пленки, м. В данном выражении учитывается механизм потери пенного раствора через процесс растекания водной пленки по поверхности горючего. Необходимо иметь ввиду, что пленка испаряется под воздействием факела пламени и постоянно подпиты-вается из пены, поэтому все члены уравнения (5) связаны через ©у. В связи с малым значением НБ (толщина водной пленки составляет всего 20-40 мкм) величина последнего слагаемого правой части уравнения (5) незначительна относительно величин трех других членов. Поэтому пренебрежем этим слагаемым и с учетом выражения (4) получим:
дёт = р уНуБ 0ё© у + и 0 (1 -© ГР )Б 0© у ёт +
+ и0(1 -©ГР)Б0(©ГР -©у )ёт; (6)
дёт = р уН уБ 0ё© у + + (и[ + и0(Р - 1))(1 -© ГР)Б0© уёт. (6а)
Для простоты дальнейших расчетов представим и0 + и0 (Р - 1) = и0. Разделив обе части уравнения материального баланса (6а) на площадь поверхности горючей жидкости Б0, с учетом того, что д/Б0 = I (I — интенсивность подачи пены), получим:
Лт=р гНгй© у + и 0(1 -© уР)© 7ёт. (7)
Приведем дифференциальное уравнение (7) к виду, удобному для интегрирования:
ёт =
р ^Нуё©
/
и 0 Р©2 + (-и 0© у) + I
(7а)
Проинтегрировав уравнение (7а) в пределах от т = 0, ©у = 0 до т = тт (тт — время тушения, с), ©у = 1/Р, имеем:
2р ГН
arctg -
2и 0
4и0(41Р - и0) ^4и0Р1 - и02
(8)
Формула (8) описывает зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены. По мере снижения интенсивности подачи пены время тушения будет увеличиваться и в случае, когда тт ^ да, реализуется критическая ситуация тушения. Величину интенсивности, соответствующую этому времени, назовем критической интенсивностью подачи пены 1кр. Время тушения стремится к бесконечности в случае, если знаменатель подкоренного выражения члена, стоящего перед тригонометрической функцией, стремится к нулю. Это условие реализуется при 41Р - и0 ^ 0. Поэтому
= и0/4Р;
1 кр
ир + и 0 (Р -1)
4 Р
(9)
(9а)
Удельную скорость разрушения пены и0 представим как сумму удельных скоростей контактного и К и термического и ¡о разрушения пены:
и у = и у + и {
и0 к ^ ^ t о
(9б)
Удельную скорость разрушения пены с учетом выражения, предложенного в работе [2], представим в виде:
у аР0га 1 - С0 и„ =----ехр
0 т^ 2 С
К С 0
где а — константа;
В
ЯТ
иМг
(9в)
Р0 — Па;
капиллярное давление в пенных каналах,
г — средний радиус пенных пузырьков, м; а—поверхностное натяжение пенообразующе-го раствора, мН/м; К — кратность пены;
С0
предельная концентрация полярного рас-
творителя;
В — энергия активации вязкого течения, Дж; Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(К-моль); Т — температура, К;
им — удельная скорость выгорания горючего в стационарном режиме, кг/(м2-с); Qг и Qe — удельная теплота, необходимая для испарения горючей жидкости и воды соответственно, кДж/кг;
2 — безразмерный коэффициент, учитывающий часть поверхности пузырьков, на которую воздействует тепло факела пламени (форму пузырьков пены), 2 = 0,15-0,3.
т т
Удельную скорость разрушения пленки пред ставим в виде:
тт, имдгсУ,
Qe
(9г)
Перепишем уравнение (8) с учетом выражения (9):
Р fh
f
arctg -
2J
Кр
(10)
Заменив тригонометрическую функцию степенным рядом, с учетом его первого члена получим:
Р/Ь/
P( J - Jkp )
(10а)
Из формулы (10а) следует, что чем выше скорость растекания водной пленки, тем меньшее время необходимо для тушения пламени евротоплива при заданной интенсивности подачи пены. Среднюю толщину пенного слоя представим в виде полсуммы толщины слоя пены Нч в месте всплывания и минимального слоя пены Н0:
hf =
hf =
PJ
2
(11) (11а)
Так как параметр Р определяется соотношением Н0/1кр, то среднюю высоту пенного слоя можно выразить следующим образом:
hf = h о
1 +
J
2
(116)
С учетом выражения (11б) получена формула для определения времени тушения в зависимости от интенсивности подачи пены:
= Рfh0(JKp + J) ;
' = 2JкрР(J - JKp) ;
Р fh 0 (JKP + J) 2 Jkp (1 + cVs )(J - JKP )
(12)
(12а)
Удельный расход раствора пенообразователя на тушение 1 м2 поверхности горючего определяем как
йуд = ; (13)
Р/Ь03(3 кр + 3)
Qyd =
2JP( J - J№ )
(13а)
Приняв за критерий оптимальной интенсивности ту интенсивность, при которой расходуется минимальное количество раствора пенообразователя
<2 тд1,имеем:
dQyd /dJ =0; Р fh 0 J ( JKp + J)
2 jkpp( J — Jкр )
кр / _
= 0.
(14) (14а)
Продифференцировав левую часть выражения (14а) с учетом того, что Pfh0/2JKpP = const, и решив квадратное уравнение, получим:
Jопт (1 + V2)^Jкр .
(15)
Подставив вместо интенсивности правую часть выражения (15), в формуле по определению удельного расхода (13а) имеем:
q mn = ^ p fh 0.
(16)
Если в выражении (16) P заменить на 1 + cVs, то оно примет вид:
q у» = р fh 0.
1 + cVs f 0
(16а)
На рисунке представлена зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены. Точками обозначены результаты эксперимента, пунктирные кривые — расчет. Пунктирные кривые удовлетво-
350
300
250
5=
я 200
а I?
150
о> &
m
100
50
1 f 1 1 А Изооктан
1 + 1 | 1 1 \ 1 \ w Ш 5% ИНН 10% ИГ [С
1 \ 1 i \ й \
\ А \ \ \ \ ■ \
\ \ \ \ \ \ \
А. \ \ \ \ ■ • • и 1 i
А __i
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)
Зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены; вода—пресная мягкая; топливо—изооктан + ИПС
0
I =
т
2
I =
т
0
рительно совпадают с результатами эксперимента, что свидетельствует о правильности выбора модели. Принимая во внимание наличие экспериментальных данных по скорости растекания водной пленки и контактной устойчивости пены, расчет проводился из условий: скорость растекания вод-
ной пленки по поверхности изооктана — 2,9 мм/с, изооктана с содержанием 5% ИПС — 1,6 мм/с, изо-октана с содержанием ИПС 10% — 0,1 мм/с; удельная скорость контактного разрушения пены на поверхности изооктана с содержанием 5% ИПС — 0,0029 кг/(м2-с) и 10% ИПС — 0,0047 кг/(м2-с).
ЛИТЕРАТУРА
1. Шароварников А. Ф. и др. //Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М.: Издательский дом "Калан", 2002. — 448 с.
2. Шароварников А. Ф. Контактное разрушение пен водно-органическими смесями / Горение и проблемы тушения пожаров: Материалы 6-й Всес. науч.-практ. конф. — М.: ВНИИПО, 1979. — С. 32.
Поступила в редакцию 19.12.06.
Интерактивное учебное пособие "ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ"
Представляет курс, построенный на основе методических материалов, разработанных ведущими специалистами кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, и включает 16 уроков (лекции и тестовые вопросы), объединенные в электронный учебник.
Учебно-методическое пособие содержит сборник нормативных актов по организации и обеспечению пожарной безопасности объектов.
Поурочная структура курса позволяет изучать материал в удобное время и в удобном темпе.
Данное интерактивное учебное пособие рекомендуется для проведения дистанционного обучения.
Курс рассчитан на самостоятельное изучение и консультационной помощью не поддерживается.
Освоив предлагаемый материал, вы можете сдать квалификационный экзамен в виде контрольного тестирования по всем пройденным темам.
Успешно сдавшим квалификационный экзамен предоставляется скидка 30% от базовой стоимости курса и выдается удостоверение государственного образца, подтверждающее прохождение слушателем курса повышения квалификации руководителей и специалистов в объеме 72-часовой программы.
Удостоверение высылается на почтовый адрес слушателя или вручается лично в УВЦ ИИБС МГСУ по адресу: Москва, ул. Смирновская, дом 1 А.
По вопросам приобретения компакт-диска обращаться по адресу: 109052, Москва, ул. Смирновская, дом 1 А, каб. 400 Тел./факс: (095) 918-03-11, 918-03-60 Е-таП: vasillkova@gmail.com
