CC BY
29
Тушение пожаров
УДК 614.84.664
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕНООБРАЗУЮЩЕИ СПОСОБНОСТИ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ
Воевода Сергей Семенович
С. С. Воевода
начальник кафедры общей и специальной химии
Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, полковник внутренней службы, доцент, кандидат технических наук
Представлены современные методы изучения пенообразующих свойств пенообразователей для тушения пожаров, некоторые результаты лабораторных исследований. Разработана модель процесса получения высокократной пены в лабораторных условиях и установлены основные параметры, характеризующие пенообразующую способность водного раствора поверхностно-активного вещества. Описан механизм пенообразования на сетках при использовании в качестве дисперсной фазы дыма и воздуха.
Решение проблемы тушения пожаров в закрытых помещениях в настоящее время связывается с применением высокократной противопожарной пены. Для реализации этого способа тушения используются углеводородные пенообразователи как общего, так и целевого назначения. Получение противопожарных пен высокой кратности в большинстве случаев осуществляется с помощью аппаратуры, реализующей способ пенообразования на сетках. Данный способ позволяет получать большие объемы пены в короткое время.
Цель данной работы — моделирование процесса образования высокократной пены на сетках в лабораторных условиях. Получение пен заданной структуры проводилось на установке, схема которой представлена на рис. 1. Метод основан на изменении условий процесса пенообразования при стабильных расходах воздуха и раствора. Расход воздуха, поступающего в пеногенератор, и отведенного из пеногенератора избытка фиксировался при помощи ротаметров. Этим достигалась независимость показателей процесса пенообразования от плотности орошения пакета сеток и возможность изучения влияния на эти параметры природы и концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1].
Установка состоит из компрессоров 1; выносных манометров 2; вентилей 3 регулировки давления в магистралях; магистрали 4 подачи воздуха в вытеснительную емкость с испытуемым раство-
ром; регулировочного вентиля 5, дозирующего расход раствора на пенообразование; жидкостного ротаметра 6; запоминающего осциллографа 7 (тип С8-13); автоматического измерителя кратности пены 8 (тип ИКРАП); магистрали 9 подачи раствора в пеногенератор; магистрали 10 подачи воздуха в пеногенератор; распылителя 11; корпуса пеногенератора 12; соединительной электрической линии 13 прибора ИКРАП; соединительной электрической
РИС.1. Схема установки для получения высокократных пен в лабораторных условиях
тушение пожаров
линии 14 осциллографа С8-13; контактов 15 автоматического измерителя кратности пены ИКРАП; вытеснительной емкости 16 с испытуемым раствором ПАВ (пенообразователя); золотого игольчатого контакта 17 осциллографа С8-13; второго контакта 18 осциллографа; линии отвода избыточного воздуха 19 от сеток пеногенератора; вентиля 20, регулирующего расход отводимого воздуха; ротаметра 21 контроля расхода отводимого воздуха; ротаметра 22 контроля расхода поступающего на пенооб-разование воздуха; вентиля 23, регулирующего расход поступающего на пенообразование воздуха; утилизатора пены 24.
Перед началом испытаний в приготовленный раствор ПАВ (пенообразователя) помещали контакты автоматического измерителя кратности пены ИКРАП и производили его калибровку. Затем таким же образом осуществляли калибровку осциллографа С8-13. После чего испытуемый раствор заливался в вытеснительную емкость, включались компрессоры, обеспечивающие подачу воздуха, вентилями 3 выставлялось давление в магистралях порядка 30 кПа, вентилем 5 устанавливался расход раствора порядка 0,5 ± 0,5 см3/сивтечение20-30с осуществлялась промывка установки раствором ПАВ. Затем установка переводилась на стабильный режим работы с расходом раствора 0,25 см3/с. Для осуществления лучшей регулировки процесса пе-нообразования избыточный воздух отводили от сеток пеногенератора, контролируя его расход по ротаметру 21 и регулируя его вентилем 20.
Исследование количественных характеристик процесса пенообразования по максимальной кратности пены Км, критической скорости воздушного потока Ук и коэффициенту использования воздуха В проводили при расходе рабочего раствора ПАВ 0,03 см3/с и плотности орошения пакета сеток 0,054 кг/(м2-с).
Коэффициент использования воздуха определяли из соотношения (1), основываясь на показаниях измерений максимальной кратности пены и жидкостного и воздушного ротаметров [1,2]:
Пенообразующая способность образца Sodium octylsulphate
Vp
B = ÊM—,
M V =
(1)
где К
м
пены:
максимальная полученная кратность
Ур — расход раствора в опыте;
Ув — расход воздуха в опыте.
Относительная погрешность определения величины составляла ± 6% по ротаметру, ± 5% — по устройству ИКРАП. В качестве объектов испытаний были взяты углеводородные ПАВ. В таблице представлены результаты экспериментальных исследований пенообразующей способности образца
Параметры процесса Концентрация испытуемого вещества в растворе, % масс.
1 2 3 4 5 6 7
Km 110 325 400 460 600 730 950
Vê, м/с 0,60 0,69 0,72 0,90 1,38 1,52 1,71
В 0,58 0,67 0,82 0,91 0,93 0,94 0,95
Sodium octylsulphate (42%-го концентрата первичных алкилсульфатов натрия С12 - С14).
Учитывая представления о формировании пузырьков пены [1], механизм пенообразования на сетках следует рассматривать как процесс обращения двухфазного потока типа дым-жидкость, осуществляющийся через формирование смачивающей пленки, смену дисперсионной газовой среды на жидкостную, с образованием пенных пленок, каналов пены и гидродинамических связей между ними. Обращение фаз и законченность структуры пены на выходе пеногенератора коренным образом отличает пенообразование на сетках от других известных способов получения пен, при которых достижение высокой кратности возможно только в результате синерезиса.
Модель пенообразования можно представить в виде саморегулирующейся дисперсной системы, устойчивое формирование структуры которой обусловлено сохранением сплошности смачивающей пленки по всей поверхности сетки независимо от режима работы пеногенератора. Процесс пенообразования сопровождается перераспределением жидкости в смачивающей и пенных пленках, обусловленным гидродинамическими течениями, возникающими в результате воздействия газового потока и орошения пенообразующим раствором поверхности смачивающей пленки.
На рис. 2 показана модель пенообразования, представляющая собой непрерывную последовательность стадий (I-IV) формирования структуры пены на смежных ячейках A, B, C. Исходное состояние системы (стадия I ) характеризуется наличием пенных пленок в ячейках А и C, вершины которых соединены с каналами смачивающей пленки, а в ячейке B находится пузырек дыма (воздуха), ограниченный пленками пены в виде многогранника. Под действием набегающего газового потока пленки, закрывающие ячейки А и C, приобретают форму куполообразных оболочек и, расширяясь, входят в соприкосновение (стадия II). Дальнейшее нарастание давления в оболочках приводит сначала к формированию пятна контакта между смежными пленками, разделенными парогазовой прослойкой (стадия III), а затем к их практически мгновенному слиянию и образованию одной общей пенной пленки (стадия IV), разделяющей смежные пузырьки
пожаровзрывобезопасность б'2004
^ым Дым^
I в .^с^
РИС.2. Этапы формирования структуры высокократной пены: I — исходное состояние; II — образование куполообразных оболочек; III — формирование локального места контакта оболочек; IV — формирование пенных пленок и каналов; 1 — элементы сетки пеногенератора; 2 — смачивающая пленка; 3 — пенные каналы; А, В, С — обозначения ячеек сетки
пены. Таким образом, формирование структуры пен высокой кратности происходит непосредственно около сетки и заканчивается в первых слоях пены. Причем толщина пленок, дисперсность, кратность и радиус кривизны каналов принимают
определенные значения уже в третьем-четвертом слое пены.
В начальный момент по периметру пятна контакта пленочных оболочек образуется мениск с бесконечно малым радиусом кривизны. Возникшая в месте слияния гидравлическая связь в сочетании с высоким капиллярным давлением приводит к появлению общей пенной пленки. Образовавшийся при этом избыток жидкости поступает на подпитку каналов смачивающей пленки и формирование каналов Плато-Гиббса, кривизна которых определяется скоростью пенообразования и расходом пенообра-зующего раствора. Чем выше скорость газового потока и меньше расход раствора, тем выше кривизна каналов и кратность пены. Перераспределение жидкости на стадии слияния приводит к выравниванию капиллярных давлений в каналах смачивающей пленки и каналах пены, радиусы которых принимают стационарные значения. В результате происходит стабилизация структурных параметров пены, вся система возвращается в исходное состояние, а процесс формирования пены начинается снова [2].
Таким образом, смоделирован процесс получения высокократной пены в лабораторных условиях, установлены основные параметры, характеризующие пенообразующую способность водного раствора ПАВ и описан механизм пенообразования на сетках при использовании в качестве дисперсной фазы дыма и воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. ШароварниковА. Ф., Казаков М. В. Изучение процесса пенообразования в генераторах с принудительной подачей воздуха // Пожарная техника и тушение пожаров. — М.: ВНИИПО, 1979. — С. 114.
2. Шароварников А. Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. — М.: Знак, 2000.
Поступила в редакцию 20.09.04.
