CC BY
21
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ
Канд. техн. наук, старший научный сотрудник Академии ГПС МЧС РФ
С. А. Макаров
УДК 614.84.664
ОБЗОР ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССА ТУШЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПЕНАМИ
Дано представление о последних работах в области моделирования процессов пожаротушения пенными составами. Представлено понимание процесса пенного пожаротушения, приобретенное входе данного исследования, и направления, следуя которым разработчики смогут достичь более эффективных решений в составлении пенных рецептур. Описаны конструкция и принцип действия установки для измерения потерь пены под воздействием теплового потока в лабораторных условиях.
ИхИ
Д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры специальной химии Академии ГПС МЧС РФ
С. С. Воевода
Канд. техн. наук, доцент кафедры пожарной безопасности МГСУ
Д. А. Корольченко
Введение
Возрастающая озабоченность воздействием пенных огнетушащих составов на окружающую среду стала причиной поисков более безвредных химических веществ. Возможен выбор самых разнообразных химических составов, производство которых основывается как на ныне существующей технологии, использующей поверхностно-активные вещества (ПАВ), так и на других, новых технологиях, которые, с большой вероятностью, будут разработаны в ближайшем будущем. Оценка противопожарной эффективности пенных составов путем исследований модельного очага пожара лабораторного масштаба представляется приблизительной. Затраты же времени и средств, которых требуют крупномасштабные полигонные испытания, могут быть непомерно высоки.
Недостаточность модельных испытаний для определения эффективности сопровождается неполным пониманием механизма тушения огня пенными составами. Параметры, влияющие на потери пены вследствие ее синерезиса и испарения под действием высоких температур факела пламени, были оценены лишь в конце прошлого века. Комплексные механизмы распределения пены по поверхности горючей жидкости прояснены еще в меньшей степени. В настоящее время завершенной, надежной и действенной модели процесса пено-тушения не существует.
В настоящей статье будет дано представление о последних работах в области моделирования процессов пожаротушения пенными составами, а также о том, как модельные испытания могут быть использованы в разработке рецептур пенных композиций. Здесь будет также представлено понимание процесса пенного пожаротушения, приобретенное в ходе этого исследования, и направления, следуя которым разработчики смогут достичь более эффективных решений в составлении пенных рецептур.
Применение фторсодержащих пенообразователей объясняется их высокой огнетушащей эффективностью. Почти все пенные составы, используемые в тушении пожаров класса В (жидкости), в той или иной мере содержат поверхностно-активные вещества. Помимо них в состав пенообразователей включаются углеводородные ПАВ, растворители и различные вспомогательные добавки. Однако фторсодержащие ПАВ являются ключевым компонентом в создании пен, способных к пленкообразо-ванию (пленкообразующих огнетушащих пен на водной основе (АРБЕ)). К сожалению, фторсодер-жащие части молекул ПАВ, используемых в настоящее время, не обладают способностью к биологическому разложению в окружающей среде. Этот факт вызвал беспокойство по поводу применения подобных молекул в составе противопожарных пен и заинтересованность в поиске альтернативных
формул, в которых использование фторсодержа-щих ПАВ было бы ограничено либо совершенно исключено [1].
В дополнение к вышеназванным проблемам существующие ныне составы огнетушащих пен могут оказывать и другие нежелательные воздействия на окружающую среду [2]. Эти воздействия также вызвали тревогу по поводу установки пенных противопожарных систем и в ряде случаев стали причиной ограничения использования огнетушащих пен. Кроме того, фторсодержащие ПАВ являются наиболее дорогостоящим компонентом в составе огнетушащей пены, и эта дороговизна негативно сказалась на применении пен в некоторых областях.
Проблема биологического разложения фторсо-держащих ПАВ побуждает к действиям, направленным на создание новых рецептур пенных концентратов. При создании этих новых составов должны учитываться и другие стоящие перед нами вопросы, связанные с охраной окружающей среды, стоимостью и эффективностью состава. Задача заключается не в "улучшении" существующих концентратов, а, скорее, в тотальной перестройке всей гаммы пенных продуктов.
Моделирование процесса пенотушения
Цель работы заключается в разработке математической модели процесса тушения пожара пенным раствором. В ней должны участвовать модельные уравнения, описывающие важнейшие протекающие при этом физические процессы, в том числе механизмы потерь пены на ее синерезис и испарение, а также распределение пены по поверхности горючей жидкости.
Работа заключается в формулировании уравнений, описывающих исходные предпосылки и включающих в себя необходимые эмпирические параметры. Эмпирические параметры могут быть получены из испытаний и экспериментов с учетом того, что физическая сторона процессов пока не вполне выяснена либо слишком сложна для того, чтобы быть легко моделируемой.
Одной из целей моделирования может быть получение намного более ясного представления о физических процессах, протекающих при пожаротушении. Открытыми остаются вопросы: как велико влияние механизмов потерь пены на скорость ее распространения по поверхности горючей жидкости и полноту покрытия этой поверхности? Понимание физической стороны подавления огня могло бы значительно прояснить цели, к которым нужно стремиться при разработке новых составов.
Еще одной задачей моделирования является разработка аппаратуры для модельных (по возможности, лабораторных) испытаний, которую можно
было бы использовать для оценки новых пенных составов. Полноценная проверка рецептуры требует выполнения среднемасштабных пожарных испытаний (на площади от 2 до 5 м2). Проведение таких испытаний дорого и, кроме того, может быть затруднено ограничениями, связанными с охраной окружающей среды. Все это сужает возможности исследовательских работ по разработке новых рецептур. Оборудование для лабораторных испытаний позволило бы разработчикам без промедления получать существенные данные о поведении новой композиции на практике, причем при меньших финансовых затратах.
Конечная же цель моделирования состоит в том, чтобы разобраться, есть ли выход из создавшейся ситуации. Существующие проблемы:
• действие АРРР заключается в пленкообразо-
вании;
• для пленкообразования необходимы фторсодер-
жащие ПАВ;
• фторсодержащие ПАВ весьма устойчивы к разложению.
Дополнительно фторсодержащие ПАВ обеспечивают устойчивость пены к загрязнению горючими жидкостями, а в некоторых пенных составах поддерживают пенообразующую способность концентрата.
Исследователями были определены два выхода из выше обозначенной ситуации: один заключается в разработке фторсодержащих ПАВ, которые не были бы столь устойчивы к разложению, второй — в том, чтобы попытаться достичь пленкообразования с участием не содержащих фтора ПАВ. Оба эти способа признаны весьма сложными, дорогостоящими и требующими времени, а может быть, и невыполнимыми. Разработка модели и достижение понимания физики пожаротушения могут показать еще один выход — возможность заставить АРРР выполнять свои противопожарные функции без образования пленки. Этот путь также может оказаться трудным и долгим, но он предлагает потенциальные дополнительные выгоды, состоящие в лучшем понимании процессов и создании аппаратуры для испытаний пенных составов в лабораторных условиях.
Один из положительных и важных аспектов АРРР, который может быть утрачен в случае отсутствия образования пленки, — фактор безопасности в ситуации, когда пламени уже нет или еще нет, и образовавшаяся пленка препятствует появлению воспламеняемых паров. Этот фактор может иметь важное значение, если пенный слой нарушается, например движениями пожарного, в то время как пленка поддерживала бы пожарную безопасность.
Процесс тушения пожара пеной
Огнетушащая пена ликвидирует горение жидкости, создавая физическую преграду для выделения паров с поверхности этой жидкости. Данная преграда прекращает подпитку пламени парами горючей жидкости, тем самым прекращая его. Участки поверхности жидкости, не покрытые пеной, продолжают выделять горючие пары и подпитывать факел пламени (рис. 1). Слой пены, состоящий, в основном, из воздуха и водного раствора пенообразователя, создает препятствие для диффузии паров горючей жидкости [3]. Даже такой тонкий слой, как пленка, образуемая водным раствором пенообразователя AFFF, способен понизить испарение горючей жидкости настолько, чтобы ликвидировать горение.
При тушении пожара пена подается с заданной интенсивностью m foam, add, обеспечивающей образование пенного слоя за определенный период времени. В условиях горения потери пены могут происходить двумя путями: через испарение под тепловым воздействием пламени mevap и через разрушение структуры пены путем ее синерезиса в слой горючей жидкости mdrain. Соответственно, для достижения прогресса в тушении огня подача пены должна превышать величину ее потерь.
В зависимости от условий пожаротушения пена при ее нанесении на поверхность горючей жидкости может обладать значительной кинетической энергией, способствующей ее растеканию, например при нанесении пены ручными стволами на небольшое количество разлившейся горючей жидкости. В иной ситуации может потребоваться, чтобы пена растекалась самостоятельно, под действием только силы тяжести, например при ее подаче через верхнюю часть стенки резервуара. Во втором слу-
mfoam,add
Рис. 1. Схема процесса тушения огня пеной: qrad — тепловой поток факела пламени, Дж/(м2-с): V — скорость движения пены, м/с; h — толщина пенного слоя, м; mfuei — масса нефтепродуктов в пене, кг; mfoam, add — масса поданной пены, кг; rnevap — масса разрушенной пены от факела пламени, кг; mdrain — масса разрушенной пены от контактного взаимодействия с горючей жидкостью, кг
чае способность самостоятельно растекаться необходима пене, как и в первом случае, — самостоятельно и быстро растекающаяся пена служила бы повышению эффективности тушения пожара.
Процесс пенного тушения—это своего рода материальный баланс: количество подаваемой пены против механизмов разрушения и синерезиса пены. Создание модели процесса накопления пены позволит предсказать, будет ли ликвидирован пожар, или же величина потерь пены сравняется с величиной ее подачи, при этом растекание пены остановится и горение будет продолжаться.
Данный процесс исключительно сложен. Распределение пены зависит от ее реологических свойств, изменяющихся по мере разрушения пены, свойств горючей жидкости и кинетического импульса подачи пены. Скорость синерезиса пены изменяется по мере ее растекания и разрушения. Скорость испарения также меняется при распределении пены и увеличении ее площади, подверженной воздействию тепла, а также изменении этого воздействия в ходе тушения пожара.
При математическом моделировании сложных физических явлений необходимы принятие упрощающих допущений и введение эмпирических параметров (получаемых, скорее, экспериментальным, нежели теоретическим путем). Широко обсуждаемая тема моделирования представлена в статье [4]. Подробную информацию о работе по моделированию пенного тушения, проделанной Перс-соном (Рег880п), можно найти в публикации [5].
В работе [4] величина потерь пены на испарение на
" /2
единицу площади т , кг/м , выражена следующим уравнением:
т = Чтёкв >
где — тепловой поток, Дж/(м2-с);
ке — эмпирически получаемый параметр.
Величина потерь пены на ее синерезис на единицу площади т'^гап в публикации [4] принята как эмпирически получаемый параметр.
Оба указанных параметра имеют важное значение в пенной модели процесса тушения. Для их измерения была разработана экспериментальная установка [6].
Установка для измерения потерь пены
Прибор для проведения лабораторных испытаний, разработанный в ходе настоящего исследования, показан на рис. 2. Установка состояла из испытательной чаши, электромагнитного клапана, контейнера для сбора дренажа, двух весов (датчиков нагрузки), микротермодатчиков, прибора для измерения полного удельного теплового потока, нагревателя и источника огня.
Радиационный нагреватель Запальник
К устройству записи даных
Термопара пены Измеритель теплового потока
Электрический фонарь
Термопара чаши
Пробная чаша
Термопара чаши
Вспомогательный сосуд
Контрольная риска
50 мм
Тепловое излучение
J
230 мм
Уплотнительное кольцо
Переходная о\
муфта измерителя теплового потока
60 мм
Дренированный раствор
Дренажный патрубок
Контрольная риска Вспомогательный сосуд
Рис. 3. Схема испытательной чаши
Рис. 2. Установка для измерения потерь пены под воздействием теплового потока в лабораторных условиях (масштаб не выдержан)
Испытательная чаша цилиндрической формы имела 230 мм в диаметре и высоту 150 мм и была выполнена из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Как показано на детальной схеме испытательной чаши (рис. 3), ее днище имело небольшую конусность для направления дренируемого раствора к центральной части днища. В днище были установлены два патрубка. Патрубок, осевая линия которого проходила приблизительно в 50 мм от стенки чаши, использовался для присоединения к чаше измерителя удельного теплового потока. Патрубок был устроен так, чтобы измеритель теплового потока располагался чуть выше бортика на внутренней стороне чаши, чтобы минимизировать скопления раствора на поверхности измерителя. Второй патрубок, расположенный по центру днища, служил для слива раствора из чаши. Внутренний диаметр дренажного патрубка составлял 53 мм. На внутренней поверхности патрубка были выполнены пазы для уплотнительных колец. Вспомогательный сосуд — цилиндрической формы, из фторопласта, высотой 95 мм и внутренним диаметром 60 мм, был надет на дренажный патрубок снаружи. Для плотной посадки баллона на дренажный патрубок в пазы патрубка были вложены уплотнительные кольца из химически устойчивого оргстекла (внутренний диаметр 53 мм, диаметр сечения 1,5 мм). Это позволяло лаборанту наблюдать за положением
разделительной поверхности между дренированным раствором и пеной или дренированным раствором и горючей жидкостью, что имело особо важное значение при точном определении утечки (дренажа). Свет электрического фонаря помогал лучше различать местоположение разделительной поверхности.
Горловина баллона была закрыта колпачком, в который был вставлен дренажный патрубок для отвода дренированного раствора. Медной трубкой диаметром 6,4 мм дренажный патрубок был соединен с электромагнитным клапаном, снабженным электронным приводом. Электромагнитный клапан служил для контроля дренажа раствора из испытательной чаши. От электромагнитного клапана раствор по медной трубке поступал в контейнер для сбора дренажа. Контейнер-сборник, применявшийся в опытах, представлял собой лабораторный стакан емкостью 1000 мл из жаростойкого стекла.
Во ходе эксперимента пена нагревалась при помощи панельного инфракрасного обогревателя площадью 0,30 м2, способного обеспечивать тепловой поток интенсивностью до 90 кВт/м2. Тепловой поток определялся значениями температуры, отмечаемыми кварцевой панелью обогревателя, и расстоянием от него. Обогреватель был установлен в 0,013 м над верхним краем испытательной чаши. Уровень теплового облучения пены определялся по температурным настройкам обогревателя. Температурные показания кварцевой панели регистрировались микротермодатчиком. При помощи сигнала, поступающего от микротермодатчика, контроллер
поддерживал кварцевую панель при относительно постоянной температуре (±8°С). Обогреватель был смонтирован на движущейся тележке, что позволяло в начале опыта разместить его над чашей, авкон-це — откатить в сторону. Для фиксации обогревателя в положении над чашей использовался выступ на гусенице тележки.
В состав установки входили два датчика веса для регистрации дренированной и испарившейся массы. Датчик веса № 1 (с диапазоном измерений 0-15 кг и точностью измерений до 0,1 г) использовался для регистрации массы пены, остающейся в чаше. С целью снижения погрешностей вследствие вибрации все приборы и принадлежности, соединенные с чашей, были размещены на датчике веса. Масса этих предметов вычиталась из показаний веса перед началом каждого опыта. Датчик веса № 2 (диапазон измерений 0-22 кг, погрешность 0,1 г) применялся для взвешивания раствора, стекающего из пены. Оба датчика были защищены от теплового потока обогревателя панелями. При замерах после каждого из проведенных в рамках данного исследования опытов отклонение ни разу не превысило 6 г.
Температура пены замерялась при помощи шести микротермодатчиков. Они были укреплены на внешней стороне чаши и входили в пену через верхнюю горловину чаши. Микротермодатчики были равномерно размещены по высоте чаши с интервалом 2,5 см. В опыте с нагревом эти микротермодат-чики оказались достаточно чувствительными, чтобы регистрировать изменение высоты уровня пены по времени. Температура дренируемого раствора фиксировалась микротермодатчиком, установленным сразу за дренажным портом. Температура чаши в течение эксперимента измерялась двумя микротермодатчиками, укрепленными на днище испытательной чаши и на расстоянии 7,5 см вверх по боковой стенке чаши.
Поступающее в слой пены тепло фиксировалось прибором для измерения полного удельного теплового потока с диапазоном 0-50 кВт/м2. Прибор охлаждался водой комнатной температуры.
Сбор данных производился при помощи персонального компьютера. Показания всех приборов, кроме весов (датчиков нагрузки), поступали на компьютер через две платы сбора данных. Отбор данных производился каждую секунду в течение всего опыта.
Описание эксперимента
Экспериментальная работа с установкой измерения потерь пены характеризовалась следующими известными параметрами: • кратность пены — 3, 6 и 9;
• исходная глубина слоя пены — 25, 50 и 75 мм;
• уровни интенсивности излучения — 0, 20, 35 и
50 кВт/м2;
• топливо — авиационный керосин;
• температура топлива — 20 или 100°С.
Некоторые параметры не устанавливались, но
могут быть изучены в последующих экспериментах. Для образования всей пены использовался 6%-ный концентрат пенообразователя "Универсальный" с дистиллированной водой. Применение других концентратов и морской воды показало бы иные результаты.
Образование пены производилось стандартно для каждой кратности пены, давая в результате одинаковое время синерезиса пены для каждой кратности. Для пен кратностью 3, 6 и 9 использовался раз-мельчитель емкостью 1000 мл, показавший периоды 25% синерезиса продолжительностью (52±7), (205±18) и (214±12) с соответственно.
Ни в одном из опытов пена не подавалась в слой жидкости. Скорее, она осторожно выливалась на поверхность горючей жидкости. Погружение пены в горючую жидкость приводит к контактному и сорбционному разрушения пены. Различные концентраты пенообразователей в большей или меньшей степени подвержены данному явлению, это повлияло бы на результат эксперимента, в особенности — на время воспламенения.
Нарис. 4 показан график испытания с использованием 5-см слоя пены кратностью 6, без топлива, с интенсивностью теплового потока 35 кВт/м2. В этом эксперименте количество рабочего раствора по времени примерно в три раза выше, чем испарившееся количество пенного слоя. Через 300 с ушла почти вся масса пены, осталось лишь 10%, причем 20% массы испарилось и 70% — оказалось в дренажной емкости.
На рис. 5 представлена временная зависимость температуры на различных глубинах в слое пены, находящейся в чаше, при проведении эксперимента, аналогичного представленному на рис. 4. Температура быстро нарастает и остается высокой на уровнях 100 и 125 мм. Эти уровни располагаются выше поверхности пены в течение всего опыта. Температура на уровне 75 мм над поверхностью пены сначала нарастает, затем (примерно через 20 с) падает до 100°С. Это происходит потому, что пузырьки на поверхности пены нагреваются и расширяются, вызывая подъем уровня пены до микро-термодатчика на 75-мм отметке. В присутствии пены температура не может превысить 100°С — точки кипения воды. После полного испарения этой сильно расширившейся поверхностной пены, примерно на отметке 50 с, температура на уровне 75 мм снова начинает расти. Температура на отметке 50 мм—уровень поверхности пены — быстро воз-
150 200 Время, с
350
Рис. 4. Образцы данных, полученных на экспериментальной установке, показывающие изменение по времени: массы в чаше (пена) (1), массы дренированного раствора (2), массы испаренной пены (3) и баланса масс (4)
350 325 300 275 250 ^ 225
а ур
ута р
е п м е
Н
4 /
5
г-, ! [
г-- ^^ ч\ I
,. / Г™ лК %
/ /
4
32
200 175 150 125 100 75 50 25 0
0 50 100 150 200 250 300 350 Время, с
Рис. 5. Образцы данных, полученных на экспериментальной установке, показывающие изменение по времени температуры в испытательной чаше, в которой находится пена. Расстояния от уровня дна чаши, мм: 1 — 0; 2 —25; 3 — 50; 4 — 75; 5 — 100; 6 —125
0
растает до 100°С и выравнивается. Примерно около отметки 160 с эта температура снова начинает расти, так как пенный покров к этому времени исчезает.
Можно заметить, что теплота проникает в пену на значительную глубину. На отметке 50 с, когда слой пены расширился до высоты более 75 мм, температура на уровне 25 мм начинает возрастать. На отметке 100 с начинает увеличиваться температура на нижней границе слоя пены — на уровне поверхности топлива, если бы оно использовалось в данном опыте. Исходя из рис. 4, на отметке 100 с остается в наличии более 60% исходной массы пены. Несмотря на присутствие значительного пенного покрова и при сравнительно низком проникновении теплового излучения, топливо начало бы нагреваться.
Рис. 6 отображает интенсивность испарения пены при различных уровнях интенсивности теплового потока. При 20 кВт/м интенсивность испарения весьма близка к постоянству около 250 с, когда пенный покров уже в достаточной степени истаял. При 35 и, тем более, 50 кВт/м2 интенсивность испарения по времени несколько снижается. Предположительно, это может быть вызвано все большим удалением поверхности пены от радиационной панели, что снижает действительные значения проникновения тепла и, соответственно, уровень интенсивности испарения. Дальнейший сбор данных в настоящей работе, а также результаты, полученные Перссоном [5], показывают постоянство интенсивности испарения пены при данном уровне излучения. Из указанных данных также видно, что
Рис. 6. Интенсивность испарения пены на единицу площади при уровнях теплового потока, кВт/м2:1 — 0; 2 — 20; 3 — 35; 4 — 50. Начальная масса пены в эксперимента т0 = (14,4±0,95) кг/м2; глубина слоя пены к0 = 75 мм; кратность пены К = 5,7±0,3; топливо — авиационный керосин при 20°С
интенсивность испарения находится в линейной зависимости от уровня теплового потока.
На рис. 7 представлены показатели интенсивности утечки/впитывания пены при интенсивности теплового потока от 0 до 50 кВт/м2. Все испытания начинались со значений около 15 кг/м2, с интенсивностью синерезиса пены около 0,04 кг/(с ■ м2)
0,10
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Масса пены на ед. площади, кг/м2
Рис. 7. Зависимость интенсивности синерезиса пены на единицу площади от времени при уровнях теплового потока, кВт/м2: 1 — 0; 2 — 20; 3 — 35; 4 — 50; т0 = (14,4±0,95) кг/м2; к0 = 75 мм; К = 5,7±0,3; топливо — авиационный керосин при 20°С
0,10
а 0,08-
&
ч
к 5
0,06
0,04-
0,02-
Масса пены на ед. площади, кг/м2
Рис. 8. Сравнительные данные интенсивности синерезиса пены на единицу площади с использованием: 1 — только пены; 2 — пены на горючем при 20°С; 3 — пены на горючем при 100°С; т0 = (9,3±1,8) кг/м2; Н0 = 50 мм; К = 5,7±0,4; интенсивность теплового излучения д = = 20 кВт/м2
и ниже, примерно до 8 кг/м2. Скачок кривых при 20 кВт/м2 был вызван неисправностью электромагнитного дренажного клапана в начале эксперимента. Интенсивность дренажа при испытаниях без нагрева снижалась после 8 кг/м2, тогда как все испытания с нагревом показывали одинаковое поведение. По-видимому, все использованные уровни теплового излучения влияют на пену сходным образом, в то время как сама пена без нагрева ведет себя по-разному. Одно из возможных объяснений такого явления состоит в том, что пенный раствор при всех уровнях теплового излучения нагревается до 100°С и пониженная вследствие этого вязкость раствора поддерживает высокую интенсивность дренажа.
На рис. 8 изображены результаты трех испытаний: без горючей жидкости, с горючей жидкостью
о
д
е р
В
700
600
500
400
300
200
100
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Исходная высота пены, мм
Рис. 9. Время до воспламенения топлива — авиационного керосина. Разомкнутые отрезки соответствуют опытам при 20 кВт/м2, замкнутые — при 50 кВт/м2: О — К = 3,3 с 1Р-5 при 20°С; □ — К = 9,7 с авиационным керосином при 20°С; А — К = 6,0 с авиационным керосином при 20°С; V — К = 6,0 с авиационным керосином при 100°С
при 20°С и с горючей жидкостью при 100°С. После первоначальной стабилизации данных в начале испытаний интенсивность синерезиса пены становится постоянной во всех трех опытах примерно при 0,04 кг/(с ■ м2). По-видимому, горючая жидкость не оказывает сколько-нибудь ощутимого влияния на интенсивность синерезиса и разрушения пены, по крайней мере, при данных экспериментальных условиях.
На рис. 9 представлены данные о времени, требующемся для устойчивого воспламенения горючей жидкости. Это можно было бы рассматривать как еще один опыт по измерению стойкости к повторному возгоранию, но при весьма отличных условиях нагрева от используемых в стандартных испытаниях пенных растворов. По этим данным можно сделать несколько наблюдений. При 50 кВт/м2 время до воспламенения с 25-мм слоем пены кратностью 3,3 (150 с) значительно меньше, чем время до воспламенения для 75-мм слоя пены кратностью 9,7 (260 с), хотя для получения обоих слоев потребовалось одинаковое количество пенного раствора.
Приведенные данные не показывают большой зависимости от исходной температуры топлива возможно потому, что даже топливо с исходной температурой 20°С нагревается через пенный покров до 100°С прежде, чем вспыхнуть, и/или потому, что топливо с температурой 100°С могло охладиться при первом нанесении пены.
0
Воспламенение топлива в основном происходило при остаточной массе пены около 0,8 кг/м2, когда слой пены был еще различим, во всех условиях испытаний. Опыты показали, что пена плотно прилипала краями к стенкам чаши, и воспламеняющееся топливо должно было проникнуть через слой пены.
Выводы
Из анализа полученных данных видно, что ке составлял около 0,0002 кг/(кВт с) при значениях теплового потока в диапазоне от 20 до 50 кВт/м2. Эта величина не зависела от кратности пены, толщины ее слоя, а также от присутствия горючей жидкости. Если мы сможем оценить уровень теплового потока на поверхности и в слое пены, то можно будет вычислить потери на испарение.
Для использованной в эксперименте пены выявлена зависимость величины синерезиса пены и ее кратности, но не от уровня теплового потока или присутствия горючей жидкости, имеющей темпера-
туру окружающей среды или подвергнутой нагреву. В то же время интенсивность синерезиса пены без теплового облучения была ниже, чем при уровнях облучения 20 кВт/ч2 или выше.
Выявлена способность быстрого и значительного проникновения тепла через пенный слой. Оно способно оказать разрушающее воздействие на структуру пены, а также на начало процесса нагревания горючей жидкости. Это может быть особенно серьезно в случае, если точка кипения топлива ниже точки кипения воды — тогда топливо может закипеть даже под слоем пены. Отмечено также, что топливо переходило к устойчивому воспламенению при остаточной массе пены около 0,8 кг/м2.
Установка, разработанная в ходе настоящего исследования, оказалась способной предоставлять поддающиеся количественному учету данные об огнетушащей эффективности пены. Эти данные позволяют лучше понять механизмы огнетушащего действия пены и вносят свой вклад в моделирование процессов пенного пожаротушения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dominiak, Mary F. EPA Activities / Issues on Fluorosurfactants (Исследования и публикации Управления по охране окружающей среды в связи с поверхностно-активными веществами) / William Н. Ruppert // U. S. Environmental Protection Agency, DoD Fire & Emergency Services Workgroup, January 23-24, 2001.
2. Ruppert, William H. The Environmental Impacts of AFFF (Воздействие AFFF на окружающую среду) / William Н. Ruppert, Daniel P. Verdonik // AETWC 2001, AFFF and the Environment Technical Working Conference, Technical Program and Presentation Abstracts, Panama City, Florida, October 16-18, 2001.
3. Hanauska, C. P. The Suppression of Vapors from Flammable Liquids with Stabilized Foam (Сдерживание выделения паров горючей жидкостью при помощи стабилизированной пены) / C. P. Hanauska // A Thesis Submitted to the Faculty of the Worcester Polytechnic Institute, Massachusetts, December 1988 and Fall Meeting of the American Petroleum Institute Committee on Safetyand Fire Protection, Seattle, WA, September 18-21, 1989.
4. Hanauska, C. P. Improved Formulations of Firefighting Agents for Hydrocarbon Fuel Fires (Усовершенствованные рецептуры огнетушащих составов для пожаротушения углеводородных топлив)/C. P. Hanauska, J. L. Scheffey, R. J. Roby [etal]//SBIR Phase I Report, December 1993.
5. Persson, B. FOAMSPEX — Large Scale Foam Application-Modelling of Foam Spread and Extinguishment (FOAMSPEX — Модельные исследования способности пены к распространению и ог-нетушащей способности в крупномасштабном пожарном испытании) / B. Persson, A. Lonner-mark, H. Persson [et al.] // SP Report 2001:13, Fire Technology, Boras 2001.
6. Lattimer, B. Y. Behavior of Aqueous Film Forming Foams (AFFF) Exposed to Radiant Heating (Поведение пленкообразующих огнетушащих пен при их нагреве источником тепловой радиации) / B. Y. Lattimer, Ch. P. Hanauska, J. L. Scheffey [et al.] // NRL Report Ser. 6180, November 15, 1999.
Поступила в редакцию 20.05.08.
