Основные параметры процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной низкой кратности Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве, Московский государственный строительный университет (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected]) А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве, Московский государственный строительный университет (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected])

УДК 614.84.664

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ТУШЕНИЯ ПЛАМЕНИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПЕНОЙ НИЗКОЙ КРАТНОСТИ

Исследован процесс тушения нефтепродуктов пеной низкой кратности. Экспериментально определено время тушения пламени в широком интервале интенсивностей подачи пены. Построены зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены. Рассмотрена зависимость основных параметров, характеризующих процесс тушения, — времени тушения пламени и удельного расхода пены на примере тушения пламени гептана углеводородным (ПО-3АИ) и фторсинтети-ческими (Гидрал, Петрофильм) пенообразователями. Показано, что характер зависимости времени тушения пламени от интенсивности подачи пены обусловлен накоплением пены на поверхности горящей жидкости и ее разрушением под действием теплового потока от пламени и из-за контакта с горючей жидкостью. Рассмотрены факторы, определяющие интенсивность термического разрушения пены. Получена формула, позволяющая проследить за изменением скорости потерь пены за счет термического разрушения под действием теплового потока от пламени. Сделан вывод, что интенсивность разрушения пены под действием теплового потока из зоны горения зависит от степени покрытия пеной горящей поверхности, вида пенообразователя, природы горючей жидкости. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных по времени тушения и удельному расходу пены в зависимости от интенсивности подачи пены. Ключевые слова: тушение нефтепродуктов; интенсивность подачи пены; удельный расход пены; время тушения; пена низкой кратности; углеводородный пенообразователь; фторсинтетиче-ский пенообразователь.

Исследование процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной низкой кратности проводили на экспериментальных установках, описанных в ГОСТ Р 53280.2-2010 [1] и ГОСТ Р 50588-2012 [2], в которых предусматривается использование лабораторных и полигонных методов для испытания качества и огнетушащей эффективности пенообразователей.

В отличие от методик, предусмотренных стандартами [1, 2], основным способом исследования процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной является экспериментальное определение времени тушения пламени в широком диапазоне интенсив-ностей подачи водного раствора пенообразователя, а не при одном, фиксированном, расходе пены. По результатам измерений строятся графики зависимости времени тушения от интенсивности, полученные в результате обработки первичных данных по времени тушения пламени.

Форма кривых, характеризующих зависимость времени тушения пожара от интенсивности подачи, определяется соотношением процессов разрушения пены и ее подачи. Установлено, что при низких расходах пены весь ее приток уничтожается тепловым потоком от пламени и время тушения становится

© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., 2014

бесконечно большим. В этом случае интенсивность подачи будет критической.

По мере увеличения расхода пены, которая представляет собой вязкоупругую среду, обладающую неньютоновской вязкостью [3], она поступает в резервуар, где происходит формирование ее слоя, который растекается, покрывая все большую площадь поверхности гептана.

Растекание пены может происходить послойно, при этом преодолевается сдвиговое напряжение, которое обусловлено существованием в пене капиллярного давления. Движение пены происходит за счет гидравлического перепада давления, который возникает в месте подачи или подъема пены. Чем больше площадь, покрытая слоем пены, тем выше должен быть перепад высот.

В качестве независимого параметра, характеризующего процесс тушения пламени, выступает интенсивность подачи пены. Этот параметр не является однозначным, поскольку фактически меняется в процессе тушения, по мере растекания пены по горящей поверхности. Интенсивность рассчитывается как отношение расхода пенообразующего раствора к площади поверхности, а в первый момент пло-

щадь, находящаяся под пеной, очень мала, поэтому первоначально фактическая интенсивность подачи пены будет очень большой, а затем начнет постепенно снижаться.

По мере покрытия пеной поверхности фактическая интенсивность будет приближаться к расчетной, которая определяется делением секундного расхода пены на общую площадь поверхности горючей жидкости (ГЖ) в резервуаре или в нефтяных амбарах. Это позволяет объяснить, почему при критической интенсивности подачи пены часть поверхности горящей жидкости будет покрыта пеной, хотя вся подаваемая пена разрушается пламенем. Вначале фактическая интенсивность подачи пены больше расчетной, и пена беспрепятственно продвигается вперед, покрывая все большую поверхность. Движение пены останавливается, когда фактическая интенсивность становится равной расчетной (рис. 1).

Типичная зависимость основных параметров, характеризующих процесс тушения, — времени тушения пламени и удельного расхода пены представлена на рис. 2 на примере тушения пламени гептана углеводородным (ПО-3АИ) и фторсинтетическими (Гидрал, Петрофильм) пенообразователями. Форма кривых, характеризующих зависимость времени тушения пламени от интенсивности подачи пены, обусловлена двумя процессами — накоплением пены при ее подаче на поверхность горящей жидкости и ее разрушением под действием пламени и из-за контакта с горючей жидкостью.

Интенсивность, при которой пена преимущественно продвигается вперед по поверхности, не накапливаясь, и толщина ее слоя не увеличивается, принимается в качестве оптимальной. При этом оптимум тушения может быть выявлен двумя способами:

1) по положению минимума на кривой удельного расхода пенообразующего раствора , рассчитываемого умножением времени тушения на интенсивность подачи пены;

2) по положению максимума на кривой удельной скорости тушения пламени Жт при различной интенсивности подачи пены.

и

а

я

180 160 140 120 100 80 60 40 20

и

2 3. | V ||

и || и

ч и К ? / * >1'

4 1 \ > >- - У ✓ ¡2'

1 1 ] \ \ \ Г1\ > / / г У \3'

1 1 \] X"1 У ь / / У У \

—1 —

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

а

я

в

1

а

>15

2 *

Й

и £

0 0,05 0,10

Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)

Рис. 2. Зависимость времени тушения пламени гептана (1-3) и удельного расхода (1'-3') пены, полученной из углеводородных (ПО-3АИ) и фторсинтетических (Гидрал, Петрофильм) пенообразователей: 1,1 — ПО-3АИ; 2,2' — Гидрал; 3, 3' — Петрофильм

Удельный расход пенообразователя на тушение единицы площади горящей поверхности Qf является также показателем, характеризующим "экономическую" сторону процесса тушения пламени. Величина, обратная Qf (т. е. 1/Qf), будет характеризовать огнетушащую способность 1 кг пенообразующего раствора Р^ в отношении тушимой поверхности.

Динамический показатель огнетушащей эффективности пенообразователя — приведенную (или удельную) скорость тушения пламени Жт (м2/(с-кг)) определяют по формуле

=

V Qf

1

Тх2

(1)

Рис. 1. Критическая ситуация при тушении гептана: движение пены прекратилось, и новые порции пены компенсируют пену, разрушенную тепловым потоком от пламени

где Т — интенсивность подачи пены, кг/(м -с);

х — время тушения, с.

Критическая интенсивность, определяемая при тушении пламени нефтепродуктов, зависит от удельной массовой скорости выгорания нефтепродукта иг, кратности пены и природы пенообразователя, на основе которого получена пена. Влияние скорости выгорания нефтепродукта на процесс тушения пламени представлено на рис. 3.

Наряду с временем тушения, на рис. 3 показана зависимость удельной скорости тушения от интенсивности подачи пены. Величина Жт, так же как и интенсивность, является усредненной величиной, характеризующей процесс тушения. При переходе от гептана к пентану, по мере увеличения удельной массовой скорости выгорания жидкости, критическая интенсивность подачи пены возрастает. На рис. 3 можно видеть, что значения Ткр для различных уг-

леводородов различаются: / = 0,01 кг/(м с) при ит = 0,02 г/(с-м2) и 1кр = 0,035 кг/(м2-с) при иг = = 0,07 г/(с м2). Кривые, отражающие расчет приведенной скорости тушения для всех потушенных углеводородов, проходят через максимум, который сдвигается в сторону больших значений для углеводородов с более высокой удельной скоростью выгорания. Оптимальная интенсивность подачи пены, определенная по положению максимума на кривых удельной скорости тушения, растет при использовании нефтепродукта с большей удельной скоростью выгорания.

Нарис. 4 показано изменение одновременно параметров Qf и Жт, определенных экспериментально. Эти параметры изменяются разнонаправленно с ростом интенсивности подачи пены: если удельный расход пенообразователя Qf убывает, то удельная скорость тушения пламени Жт возрастает.

Положение минимума на кривой удельного расхода (см. рис. 4) указывает на оптимальную интенсивность подачи пены, если в качестве критерия принято минимальное количество пены, использованной на тушение пламени. Если в качестве критерия выбрать приведенную скорость тушения пламени, то оптимальная интенсивность будет соответствовать максимуму на кривой приведенной скорости тушения пламени. Как правило, положение максимума на кривой удельной скорости тушения Жт (см. рис. 4) всегда соответствует большей интенсивности, чем минимум на кривой удельного расхода пены Qf. Для всех потушенных углеводородов оптимальная интенсивность, определенная по максимуму Жт, больше, чем по минимуму расхода пены Qf.

Дальнейшее повышение интенсивности подачи пены практически не сказывается на времени тушения пламени. Поэтому кривая, характеризующая зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены, имеет характерную форму: от "критической" интенсивности, при которой время тушения стремится к бесконечности, до предельно низкой, но постоянной величины, которая устанавливается после превышения оптимальной интенсивности подачи пены.

Роль природы пенообразователя в процессе тушения пламени показана на рис. 5. В зависимости от состава пенообразователей, и в первую очередь от вида фторированных стабилизаторов, пенообразователи могут быть предназначены для тушения пламени определенного класса горючих жидкостей: только нефтепродуктов (целевые) или нефтепродуктов и растворимых в воде горючих жидкостей (универсальные). Как правило, эффективность универсальных пенообразователей ниже, чем целевых. Так, для пены на основе пенообразователя "Фтор-протеиновый" критическая интенсивность 1кр силь-

300 гщ 250

о 200 §

150

и

Он

Я

100

50

) / / х' ч N

/ 1 Ч \ N. % \ ч N ч N

А

1 \ 2'Л

1 % / 3"" - - го 4' ~ —

1 1 1 1 1«/ V" 'Ч ■ \/ X. / ---

'о/"- т*--"-

0,054

0,045

0,027

0,018

о

и

0 0,05 0,10 0,15 0,20

Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)

Рис. 3. Зависимость времени тушения т (1-4) и удельной скорости тушения Шт (1'-4') от интенсивности подачи пены I из пенообразователя ФС-203А при тушении различных нефтепродуктов: 1,1 — гептан; 2,2' —нефть; 3,3' —бензин; 4, 4' — пентан

0,06

а № и И

I

а

>15

3 в

л §

£

■ * л Г

/ / / / 1 V ч N Ч

1 4 1 1 \/ У— N. _____ Ч

■ /\ 1 \ 1 □ 1 К,

1 1 1 лг— " — о / ^— ~ ~~ - -о^ 3' 2' — -Л <

П1 / у 1 / ' 1 // 1 !' У я" У у У \ — -О- — _ •о-сЛ 4\

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

е

0

1

и

№

Л §

£

о

0 0,05 0,10 0,15 0,20

Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)

Рис. 4. Зависимость удельного расхода пены (1-4) и приведенной удельной скорости тушения Шт (1'-4') от интенсивности подачи пены Iпри тушении различных видов нефтепродуктов пенообразователем ФС-203А: 1, Г — гептан; 2, 2' — нефть; 3, 3' — бензин; 4, 4' — пентан

но повышается — с 0,01 до 0,05 кг/(м2 с) с возрастанием иг с 0,02 до 0,07 г/(с-м2).

Время тушения пламени однозначно увеличивается с повышением удельной массовой скорости выгорания. Минимум удельного расхода Qуд постепенно сдвигается в область больших интенсивно-стей подачи пены. Если в качестве критерия опти-

300 г

250

о 200

150

и О.

га юо

50

г

/ f ^ / •А — ^ ^

/ * \ А V S __ «V

/' V/Ч / ^ус i 'Ч 2 3 . /

- А ' F ' & Ы- 1

0,006

0,005 и

0,004

0,003

0,002

0,001

о

0

1

к

►п и

D £

О 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)

Рис. 5. Время тушения т пламени бензина АИ-92 (1-3) и удельная скорость тушения WT (1'-3') при подаче различных пенообразователей: 1, 1 — Гидрал; 2, 2' — Петрофильм; 3, 3' — Фторпротеиновый

мальности процесса тушения нефтепродукта принять минимизацию расхода пенообразователя на тушение единицы площади поверхности нефтепродукта, то интенсивность, соответствующая положению минимума на кривой удельного расхода, является оптимальной (/опт).

При тушении пламени нефтепродуктов скорость контактного разрушения пены углеводородом намного меньше, чем от термического воздействия факела пламени. Рассмотрим факторы, определяющие интенсивность термического разрушения пены.

Скорость термического разрушения пены пропорциональна величине теплового потока, поступающего из зоны горения. При этом тепловой поток от факела пламени изменяется от максимальной величины, соответствующей условиям стационарного горения жидкости, до значений, которые постепенно снижаются по мере покрытия горящей поверхности слоем пены.

Тепловой поток, поступающий к поверхности горящей жидкости qT, можно оценить по затратам тепла, необходимого для поддержания определенной скорости испарения горючего. Принимая, что весь пар углеводорода сгорает в зоне горения за счет взаимодействия с кислородом воздуха, можно считать, что удельная скорость испарения Qj, численно равна скорости выгорания жидкости. Полагая, что удельная теплота испарения остается неизменной в процессе тушения пламени, получим соотношение для численной оценки величины исходного теплового потока, падающего на открытую поверхность зеркала ГЖ qo.

По мере продвижения пены площадь открытой поверхности горящей жидкости сокращается, уменьшается поток пара горючего вещества в зону горения и, соответственно, снижается плотность теплового потока к поверхности от факела пламени, поэтому удельная скорость разрушения пены будет переменной величиной.

Причина термического распада пены, стабилизированной обычными углеводородными ПАВ, заключается в утрате поверхностной активности их молекулами при температуре раствора 50...60 °С. При этих температурах молекулы ПАВ десорбиру-ются с границы раздела раствор - воздух, пленка пены теряет устойчивость, и слой пузырьков разрушается.

Величина удельной скорости термического разрушения пены снижается в процессе тушения. Разрушение пены происходит при нагревании водного раствора до определенной температуры, при которой молекулы пенообразователя теряют поверхностную активность на границе раздела фаз.

В первый момент тушения удельный тепловой поток от факела пламени на поверхность пены имеет максимальную величину, соответствующую установившемуся тепловому равновесию между затратами тепла на испарение горючей жидкости и тепловым потоком, который лучистым путем поступает на поверхность горящей жидкости.

По мере нагревания водного раствора в пенных пленках потоком тепла от факела пламени молекулы стабилизатора пены десорбируются с поверхности раствор - воздух. Пены, полученные из фторированных ПАВ (ФПАВ), обладают повышенной термической устойчивостью. В отличие от углеводородных ПАВ молекулы фторированных утрачивают поверхностную активность при более высоких температурах нагревания раствора — 90.95 °С. При этом происходит частичное испарение воды из пенных пленок, что требует дополнительных затрат тепла наразрушение пены из ФПАВ. Поэтому пены из растворов ФПАВ разрушаются в два-три раза медленнее, чем пены из углеводородных пенообразователей.

Несмотря на это, характер зависимости удельной скорости термического разрушения пен, стабилизированных различными типами пенообразователей, от степени покрытия поверхности горящей жидкости одинаков. Однако количественно параметры, входящие в расчетные соотношения, будут различными. Параметр Qг для обычных пен будет означать удельное количество тепла, необходимое для нагревания раствора до температуры, при которой утрачивается поверхностная активность, а для фторированных — удельное количество тепла, необходимое для нагревания и частичного испарения

воды при высокой температуре. В установившемся режиме горения тепло, поступающее от пламени к жидкости, расходуется на ее испарение, прогревание внутрь слоя жидкости и потери в окружающую среду. Количество тепла, поступающее от факела пламени к поверхности горючей жидкости, в стационарном режиме горения qo, можно определить путем умножения удельной массовой скорости выгорания Цг на удельную теплоту испарения жидкости Qг и площадь испарения ГЖ 50. При этом необходимо учесть, что примерно половина теплового потока расходуется на прогрев жидкости в глубину, поэтому в расчетную формулу (2) введен коэффициент, равный 2:

qo = 2Ur Qr ¿0, (2)

где 50 — начальная площадь испарения ГЖ, м2.

По мере растекания пены величина теплового потока будет снижаться по мере уменьшения площади поверхности испарения горючего и составит только часть от q0, поэтому

q = 2 Ц Qг 5о(5г/5о),

(3)

где 5,

г площадь поверхности испарения горючей жидкости, не покрытой пеной, м2. Этот поток равномерно распределяется по всей поверхности резервуара, включая площадь, покрытую пеной. Поток тепла qf, падающий на пену, определится как:

(4)

qf = qг Sf/So = 2qo Qr Sr /S 2,

где ¿г — площадь поверхности горючего, покры-~ 2 той пеной, м .

Если часть поверхности покрыть пеной, то уменьшится площадь открытой поверхности ГЖ, сократится поток пара в зону горения и, как следствие, снизится тепловой поток к поверхности, т. е. он составит только часть от q0:

qs = qo(Sг /5о),

(5)

где qs — поток тепла, падающий на единицу площади поверхности пены.

Введем понятие степени покрытия поверхности ГЖ пеной 0, которая характеризуется отношением площади, покрытой пеной, к общей площади поверхности ГЖ до тушения 5о, т. е. к начальной площади испарения ГЖ:

0 = Sf /5о.

(6)

Величина потока тепла, падающего на единицу площади поверхности ГЖ, с учетом предыдущих выражений

qf = д* А,. (7)

Количество жидкости в пленках пены составляет только третью часть объема жидкости в пене, по-

этому удельная массовая скорость разрушения пены в три раза превышает скорость испарения воды.

Суммарное количество пены, разрушенной в единицу времени, может быть рассчитано с учетом удельной теплоты , необходимой для разрушения пены путем нагревания или испарения верхнего слоя пенных пленок. С учетом того что в пене кратностью 5-10 на долю верхних пленок пузырьков приходится только третья часть водного раствора в пене, величину Qf мы можем использовать как треть ее величины. С учетом выражений (2) и (4) получим формулу для расчета общей скорости термического разрушения пены О^ (кг/с):

6 до ^ Sf

Qf s 02 .

О =

(8)

Подставляя выражение для соответствующих площадей с учетом степени покрытия поверхности 0, получим формулу, которая позволяет проследить за изменением скорости потерь пены вследствие термического разрушения под действием теплового потока от факела пламени. Суммарное количество пены, разрушенной в единицу времени, на всей поверхности ГЖ, покрытой пеной, может быть рассчитано по формуле

^ = 6цоа (1 _0)0.

Qв

(9)

Влияние степени покрытия поверхности пеной на удельную скорость термического разрушения пены щ (кг/(м2-с)) иллюстрируется формулой

gf

6 ц Qг Sо(l _ 0)

Qв

(10)

где Qв — количество тепла, необходимое для нагревания воды до температуры, при которой при использовании углеводородных пенообразователей утрачивается поверхностная активность ПАВ, или общее количество тепла, необходимое для испарения воды из пенных пленок для фторсо-держащих стабилизаторов. Зависимости общей и удельной скорости термического разрушения пены от степени покрытия пеной горящей поверхности нефтепродукта, рассчитанные по формулам (9) и (10), представлены на рис. 6.

Формулы (9) и (10) получены для пены низкой кратности — не более 10.

С использованием формулы (10) проведена оценка величины gf для пен, полученных из пенообразователей АБСН на основе алкилбензолсуль-фонатов натрия (температура потери поверхностной активности 50 °С), ВАСН — смеси вторичных алкилсульфатов (температура потери поверхностной активности 55 °С) и фторированных пенообра-

0,14

Ъ 0,12 ^ °>10

§ 0,08

о

р.

§ 0,06

И 0,04

Л '

5

¡5" 0,02

О

-0,3

1Г 2У Ч / \

/\ / \ \ \ \

/ \ ъ \ \

■^о- -о- \ \ \ \

1 1 / * / С

¥

0,0007 0,0006

0

0,0005 £

¡3

0,0004 §

1

0,0003 8 0,0002

О

0,0001

0,2 0,7

Степень покрытия ГЖ пеной

0 1,2

Рис. 6. Зависимости удельной ^ (1, 2) и общей О/ (1', 2') скорости термического разрушения пены, рассчитанной по формулам (10) и (9) для типичных пенообразователей: 1, Г — фторсодержащих; 2, 2' — углеводородных

зователей "Гидрал" и "Подслойный" (температура потери поверхностной активности 90 °С).

Чем выше кратность пены, тем меньше жидкости в структуре пены приходится на пленки пены, поэтому можно ожидать, что с увеличением кратности удельная термическая скорость разрушения пены повысится. Расчетная удельная скорость термического разрушения пены при тушении пламени гептана составляет в зависимости от вида пенообразователя:

АБСК — ^ = 141,210-3 кг/(м2-с);

ВАСН — ^ = 103,410-3 кг/(м2 с);

Гидрал — = 12,310-3 кг/(м2-с).

Средняя удельная массовая скорость выгорания гептана равна 0,02 кг/(м2-с). Общая масса пены, разрушающейся по всей поверхности пенного слоя, имеет двойственную зависимость от степени покрытия поверхности ГЖ пеной: с одной стороны, с ростом параметра 0 снижается величина теплового потока от факела пламени, а с другой — увеличивается суммарная площадь поверхности слоя пены. Двойственное влияние степени покрытия может быть прослежено по формуле (9).

При 0 = 0 (в начале тушения) О/ = 0, потому что пены еще нет, но и при 0 = 1 также О/ = 0, поскольку прекратился поток тепла из зоны горения.

Для пенообразователей "Гидрал" и "Подслойный" при 0 = 0,5 удельная массовая скорость разрушения пены составляет соответственно 0,031 и 0,350 кг/(м2-с).

Максимальная удельная скорость теплового разрушения пены будет достигаться при минимальной степени покрытия поверхности ГЖ пеной, когда пламя поддерживается парами горючего, исходящими со всей поверхности зеркала жидкости. Тепловой поток будет постепенно уменьшаться по мере по-

крытия поверхности горючего пеной. В первый момент пена покрывает маленький участок горящей поверхности, и поток тепла от факела пламени практически тот же, что и до тушения, т. е. определяется скоростью испарения жидкости в установившемся режиме горения. Поскольку отсчет времени тушения начинается с момента попадания первой порции пены на горящую поверхность, то при т = 0 на поверхности жидкости образуется небольшой островок пены, который определяется расходными характеристиками генератора пены и диаметром пенной струи.

Синхронно с изменением удельной скорости разрушения пены изменяется фактическая интенсивность подачи пены Jт, которая определяется как отношение секундного расхода пены к площади поверхности ГЖ, покрытой пеной: ^ = qf/Sf, или = J/0.

Таким образом, интенсивность разрушения пены под действием теплового потока, поступающего из зоны горения, зависит от степени покрытия пеной горящей поверхности, вида пенообразователя, природы горючей жидкости. Численное значение удельной скорости термического разрушения пены можно оценить по формуле (10). Максимальная скорость термического разрушения пены достигается при покрытии пеной половины площади зеркала горючей жидкости.

Рассмотрим упрощенный анализ материального баланса пены, поданной в резервуар на тушение пламени. Вариант является упрощенным, поскольку не учитывает изменение в процессе тушения удельной скорости разрушения пены под действием меняющегося теплового потока от факела пламени, контактного воздействия, постепенно разогревающейся горючей жидкости и меняющегося профиля толщины слоя пены. Кроме того, в процессе тушения могут меняться свойства и самой пены. Полагая, что поданная в единицу времени на тушение пламени пена д накапливается на площади поверхности нефтепродукта Sf слоем со средней толщиной к, а вторая часть утрачивается в результате разрушения пены с усредненной удельной скоростью термического разрушения gf, получим уравнение

д ёт = р/к + Sfgf ёт,

(расход (пенный (разрушено) пены) слой)

(13)

где р/ — плотность пены, кг/м3;

к — средняя толщина пенного слоя, м. Уравнение материального баланса при начальных условиях т = 0, Sf = 0 может быть преобразовано к виду, удобному для определения зависимости площади, покрытой пеной, от времени тушения пламени:

Sf - д

gf

Pfh

_ 1

(14)

Из формулы (14) следует, что в процессе тушения в начальный период времени скорость покрытия поверхности ГЖ пеной максимальна, а затем, по мере завершения процесса тушения, на последних участках горящей поверхности движение пены замедляется.

Если Sf = S0, то х = хт. Преобразуя формулу (14) относительно времени тушения пламени, получим простое соотношение для количественной оценки времени тушения и характера зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены.

Формула, передающая характер зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены, получена преобразованием формулы (14). Интенсивность подачи пены J определяется отношением секундного расхода пены к площади горящей жидкости перед тушением, т. е. J = q/S0:

х ■ -_£ - (1 _ Ь

(15)

На рис. 7 приведены результаты расчета по формуле (15) и результаты эксперимента по тушению гептана. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по времени тушения гептана пеной проведено с использованием пенообразователя "Гидрал". Заметное различие расчетных и экспериментальных данных наблюдается в области больших интенсив-ностей подачи пены. Это можно отнести на счет использования в расчетах средней удельной термической скорости разрушения пены, которая выбрана по расположению максимума на кривой суммарного разрушения пены (см. рис. 6).

Для уточненного расчета времени тушения вместо постоянной величины удельной скорости термического разрушения пены использовали формулу (10), в которой дана явная зависимость gf от J, а вместо к — зависимость толщины пенного слоя в месте подачи пены от суммарного расхода пены.

При этом минимальная толщина пенного слоя ко определяется кратностью и предельным напряжением сдвига пены [3], а высота ее слоя в месте падения кд пропорциональна расходу или интенсивности подачи пены:

к - ±(Н0 + \) - 2 к + рд), (16)

где Р — коэффициент пропорциональности.

С учетом формул (10) и (16) уравнение материального баланса пены примет следующий вид:

д ¿х = Pf к Sоd0 + 3(Ц Qг^в)(1 - 0) 0 ¿х. (17)

180

160

140

и

120

X

и 100

Я 80

и

Он я 60

40

20

]

:

* 2'

А" ✓

[1й / / X -

Ш ^ «--□.-.с 1— □ - -с ,1'

\ -

.2

'1

Я я и

а

I

Он

>13

Я

I л

В £

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Интенсивность, кг/(м2-с)

0 0,12

Рис. 7. Зависимость времени тушения гептана (1, 2) и удельного расхода пены из пенообразователя "Гидрал" (1', 2') от интенсивности подачи пены: 1, 1' — расчетпо формуле(15); 2, 2' — эксперимент

Преобразуем уравнение материального баланса, предварительно разделив обе его части на исходную площадь поверхности жидкости S0 и обозначив Q/So = J:

Ц = 6иг Qг /Qв. (18)

После деления переменных и приведения дифференциального уравнения к виду, удобному для интегрирования, получим:

к pf ё 0

¿х -

0 2 Ц + (_ Ц) 0 + J

(19)

Проинтегрировав уравнение (19) в пределах от х = 0,0 = 0до х = хти 0 = 1, получим выражение для определения времени тушения с учетом зависиости удельной скорости термического разрушения пены от интенсивности подачи пены:

4 к р 7

аг^

Ц

4J _ Ц

(20)

Критическая ситуация тушения пламени, когда хт ^ да, реализуется в случае равенства нулю подкоренного выражения в знаменателе первой дроби в уравнении (20). В этом случае 4J - ^ = 0 при х ^ да. В результате получим выражение для расчета критической интенсивности подачи пены:

' кр 4 4 Qв

(21)

Выразив ^ через Jкр в выражении (20), после упрощения получим:

к Р f

J,

г аг^

кр

J _ Jк

(22)

хт -

120 г

100

g 80

№ о

| 60-

£> 40 И

20

< \ \

4 \ л 2' ---0---

i i Л \ — V r

X \2

3,5

3,0 с.

2,5 2,0

1,5 | «

Я

1,0 3

S £

0,5

О

О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)

Рис. 8. Зависимость времени тушения (1, 2) и удельного расхода (/', 2') пены из фторированных (1,1') и углеводородных (2, 2') пенообразователей

Для практических расчетов времени тушения для случаев, когда J > 2У , выражение тригономет-

рической функции может быть представлено первым членом степенного ряда:

ho рf (3J - 2 Jp)

1 3u0(J - Jêp)

Удельный расход пены на тушение пламени h0 рfJ (3J - 2 Jêp)

(23)

Q т =

3U0(J - Jêp)

(24)

Зависимость времени тушения пламени и удельного расхода пены по формулам (23) и (24) для углеводородных и фторированных пенообразователей представлена на рис. 8. Как и следовало ожидать, по величине температуры, при которой утрачивается поверхностная активность, минимум удельного расхода пены при использовании углеводородного пенообразователя соответствует интенсивности в три раза больше, чем фторированного.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 53280.2-2010. Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний. — Введ. 01.07.2010 г. —М.: Стан-дартинформ, 2010.

2. ГОСТ Р 50588-2012. Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний. — Введ. 01.09.2012 г. — М. : Стандартинформ, 2012.

3. Шароварников А. Ф., Шароварников С. А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав, свойства, применение. — М. : Пожнаука, 2005. — 335 с.

Материал поступил в редакцию 29 мая 2014 г.

= English

MAIN PARAMETERS OF EXTINGUISHING OF THE OIL FLAME BY LOW EXPANSION FOAM

KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

ABSTRACT

Process of suppression of oil products by low expansion foam is investigated in this article. Time of flame suppression in a wide range of foam supply intensities is experimentally defined. Dependences of suppression time on foam supply intensity are formulated. Dependence of main extinguishing parameters — time of suppression and specific foam rate — in terms of suppression of a heptane flame by hydrocarbon (PO-3AI) and fluorine containing (Gidral, Petrofilm) foam agents is considered. It is shown that the nature of dependence of suppression time on foam supply intensity is

caused by accumulation of foam on a burning liquid surface and its destruction under influence of a flame heat flow and contact with flammable liquid. The factors defining intensity of thermal destruction of foam are considered. The formula allowing to backtrace the foam losses speed changing by thermal destruction under the influence of a flame heat flow is obtained. It is concluded that intensity of foam destruction under the influence of a heat flow from combustion zone depends on degree of foam coating on a burning surface, type of foam agent, nature of flammable liquid. The comparison of calculated and experimental data on suppression time and specific foam rate depending on foam supply intensity is carried out.

Keywords: extinguishing of oil products; foam supply intensity; specific foam rate; suppression time; low expansion foam; hydrocarbon foam agent; fluorine containing foam agent.

REFERENCES

1. National Standard of Russian Federation 53280.2-2010. Automaticfire extinguishing systems. Fire extinguishing media. Part 2. Foam concentrates for subsurface extinguishing of fires ofoil andpetroleum products in tanks. General technical requirements and test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2010 (in Russian).

2. National Standard of Russian Federation 50588-2012. Foaming agents forfire extinguishing. General technical requirements and test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2012 (in Russian).

3. Sharovarnikov A. F., Sharovarnikov S. A. Penoobrazovateli ipeny dlya tusheniyapozharov. Sostav, svoystva, primeneniye [Foam concentrates and fire extinguishing foams. Structure, properties, application]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2005. 335 p.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет книгу

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010. -118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. Ма примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]