Тушение горючих жидкостей распыленной водой Текст научной статьи по специальности «Физика»

А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected])

Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected])

УДК 614.841.123.24

ТУШЕНИЕ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ РАСПЫЛЕННОЙ ВОДОЙ

Описан механизм тушения пожаров горючих жидкостей с высокой температурой вспышки тонкораспыленной водой. Рассмотрены основные параметры очага горения в процессе тушения распыленной водой.

Ключевые слова: тушение пожаров горючих жидкостей; распыленная вода; горючие жидкости с высокой температурой вспышки; охлаждение поверхности горючей жидкости.

Механизм тушения пожаров горючих жидкостей (ГЖ) с высокой температурой вспышки определяется физико-химической природой и составом жидкости, а также дисперсностью капель воды.

Независимо от характера взаимодействия распыленной воды с горящей жидкостью тушение пламени может произойти только в результате охлаждения зоны горения до температуры потухания, что может быть достигнуто различными способами:

• за счет испарения капель воды непосредственно в зоне горения;

• снижением тепловыделения в зоне горения;

• разбавлением горючей смеси водяным паром;

• снижением скорости поступления горючей паровоздушной смеси в результате охлаждения поверхности или разбавления горючей жидкости водой.

Процесс воздействия горючих жидкостей на зону горения, как правило, непродолжителен (всего несколько секунд). Применение водяных струй с высокой степенью распыла ограничивается областью тушения относительно небольших очагов возгорания с помощью передвижной пожарной техники, использующей специальные распылители и насосы высокого давления.

В автоматических водяных и пенных системах пожаротушения в качестве диспергирующих устройств используются дренчеры и спринклеры, которые обеспечивают грубодисперсный распыл воды (средний диаметр капель около 2 мм). Оросители устанавливаются, как правило, на потолочных перекрытиях, поэтому мелкодисперсная фракция распыленной струи испаряется в нагретых продуктах горения.

Капли крупных размеров практически не испаряются в газовой фазе благодаря не только высокой

© Шароварников А. Ф., Корольченко Д. А., 2013

скорости их полета, но и малой удельной площади поверхности теплообмена. В этом случае тушение ГЖ, имеющих температуру вспышки более 90 °С, происходит за счет охлаждения поверхности до температуры ниже температуры вспышки, при которой скорость испарения горючей жидкости недостаточна для создания необходимой для горения концентрации горючего в газовой смеси с воздухом. Процесс тушения в этом случае сводится к двум аспектам:

• собственно охлаждение поверхности;

• поглощение теплового потока, идущего от факела пламени к поверхности горючей жидкости,

каплями воды.

При горении жидкостей, имеющих температуру кипения выше температуры окружающей среды, температура поверхности жидкости всегда ниже температуры ее кипения, поскольку часть тепла из поверхностного слоя непрерывно отбирается на испарение горючей жидкости.

Вопрос об охлаждении поверхности, представляющей собой границу раздела пар-жидкость, является неоднозначным в смысле постановки краевых условий в задаче о теплообмене в процессе тушения ГЖ охлаждением ее поверхности. Теоретически для достижения условия потухания пламени достаточно охладить до температуры вспышки тончайший слой жидкости, примыкающей к границе раздела жидкость - пар, причем минимальная толщина этого слоя должна быть не меньше размера испаряющихся молекул, а максимальная определяется диаграммой изменения фундаментального параметра системы — плотности. Именно этот параметр является индикатором перехода жидкости в пар.

Плотность на границе раздела меняется скачкообразно, и синхронно с этим параметром меняются теплоемкость, теплопроводность и ряд других параметров, определяемых концентрацией молекул в единице объема.

В отличие от твердых тел, у которых передача тепла от поверхности осуществляется за счет молекулярной теплопроводности, в жидкостях теплопередача происходит преимущественно путем конвекции, т. е. молекулы жидкости непрерывно перемещаются из поверхностного слоя вглубь жидкости и из близлежащих слоев к поверхности раздела.

Таким образом, вместо понятия "граница раздела жидкость - пар" необходимо употребить понятие "нагретый поверхностный слой жидкости". Естественно, что в условиях конвективного переноса тепла в поверхностном слое, нагретом до температуры, превышающей температуру вспышки, охладить поверхность до температуры вспышки удается только после съема избытка тепла, запасенного в нагретом поверхностном слое.

Учитывая, что толщина поверхностного слоя, нагретого до температуры вспышки, не превышает 1,0___1,5 мм, и принимая во внимание высокую скорость полета и размер капель воды, можно представить, что процесс охлаждения поверхности водой должен привести к интенсивному перемешиванию жидкости в поверхностном слое и конвективному тепло- и массообмену между нагретым поверхностным слоем и глубинными слоями жидкости. Последний эффект указывает на дополнительный фактор, способствующий охлаждению поверхностного слоя при тушении пламени ГЖ водой за счет его перемешивания с "холодными" нижележащими слоями жидкости.

В принципе при тушении ГЖ водой возможна ситуация, при которой горючая жидкость имеет плотность, близкую к плотности воды. В этом случае капли воды могут испаряться в течение небольшого периода времени в режиме "зависания" непосредственно над горящей поверхностью.

Таким образом, тушение пожаров ГЖ охлаждением ее поверхности распыленной водой ведет к охлаждению поверхностного слоя жидкости, нагретого в процессе горения до температуры ниже температуры вспышки горючего.

В процессе тушения ГЖ грубодисперсной распыленной водой поток воздуха, эжектируемый струей распыленной воды, с одной стороны, меняет форму факела пламени, который прижимается к поверхности ГЖ и резко увеличивается по площади, а с другой — повышает температуру в зоне горения за счет интенсивного перемешивания паров ГЖ с воздухом. Визуально отмечается образование на поверхности стоячих волн, что ведет к увеличению площади поверхности испарения в процессе тушения.

Естественно, что при тушении ГЖ грубодисперсной водой факел пламени исчезает только после охлаждения поверхностного слоя до температуры вспышки, поэтому момент тушения пламени соответствует достижению поверхностью данной температуры. Средняя температура поверхностного слоя в стационарном режиме горения поддерживается в результате динамического равновесия установившихся тепловых потоков от факела пламени к поверхности, от поверхностного слоя вглубь жидкости и за счет испарения горючего с постоянной скоростью выгорания. При подаче распыленной воды установившееся динамическое равновесие нарушается. Распыленная вода резко снижает интенсивность лучистого потока тепла, идущего от факела пламени к поверхности, при этом температура воды в каплях возрастает.

При некоторой интенсивности подачи J возникает ситуация, при которой доля тепла, поступающего от факела пламени к поверхностному слою ГЖ, становится равной тепловому потоку, отбираемому водой от поверхностного слоя. В этой ситуации температура поверхностного слоя начинает понижаться за счет теплоотвода вглубь жидкости, и пламя однозначно потухает через промежуток времени, который определяется интенсивностью этого теплоотвода. Но эта интенсивность еще не критическая.

В условиях, когда время тушения затягивается и составляет 5_10 мин, заданной интенсивности подачи воды оказывается недостаточно для компенсации теплового потока, поступающего от факела пламени к поверхностному слою. Поэтому время тушения будет больше, а интенсивность подачи воды станет явно критической ^кр):

п (и1 б н ) > г > « ^ J кр

(1)

где п — коэффициент, учитывающий потери тепла излучением (п « 0,6);

иш — удельная массовая скорость выгорания ГЖ в установившемся режиме горения до начала тушения;

бн — низшая теплота сгорания ГЖ;

— удельное количество тепла, отбираемое водой от поверхностного слоя ГЖ в процессе тушения;

а — коэффициент теплоотдачи; Тр — температура факела пламени; 2 — толщина прогретого слоя. В соответствии с проведенным анализом критическая интенсивность подачи воды Jкр может быть выражена соотношением

п (и°тбн )

а 1Т„

б

тх. н / > J >__

" кр " <2

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №11

71

Полагая в первом приближении, что скорость выгорания жидкости численно равна скорости ее испарения в условиях пожара, можно выявить однозначную взаимосвязь между основными параметрами, характеризующими тепловой режим горения.

В установившемся режиме горения скорость выгорания определяется потоком тепла от факела пламени к поверхности жидкости:

формула (3), описывающая испарение жидкости с учетом мольных потоков, носит имя Стефана:

ы°т = [а (ТР - Г,)]/ег,

(2)

где Т3 — температура поверхности ГЖ;

Qг — удельная теплота испарения ГЖ.

Коэффициент теплоотдачи а определяется из эксперимента, и его величина практически постоянна при горении веществ одного гомологического ряда. Так, для пожаров углеводородов а = (24+2) Дж/(с-м2-К). При горении метанола и альдегидов, в молекулах которых атомов кислорода не меньше, чем углерода, пламя практически прозрачно, поэтому лучистый поток к поверхности горения заметно ниже, чем при горении углеводородов. Для этих систем а = = (18+1) Дж/(с-м2-К).

Формула (2) показывает взаимосвязь основных параметров в процессе горения. Скорость выгорания будет тем выше, чем больше температура пламени и чем ниже температура поверхности горения.

Удельная массовая скорость выгорания жидкости определяется экспериментально по изменению массы жидкости за определенный промежуток времени. По существу, анализируется процесс испарения горючей жидкости, но по аналогии с горением предварительно перемешанных газовых смесей на диффузионное горение жидкости автоматически переносится адекватность понятий скорости подачи газовой смеси (испарения) и скорости горения (выгорания).

В отличие от кинетического пламени скорость горения жидкости, а точнее ее паров в смеси с воздухом, отличается от скорости испарения. Если рассматривать процесс горения жидкости с позиции образования конечных продуктов в результате этого процесса, то их суммарная масса или объем, выделившийся за единицу времени и приведенный к нормальным условиям, окажется в 90.. .95 раз больше, чем расход горючего газа. Этот результат является естественным, поскольку для окисления одного объема горючего газа необходимо 90.95 объемов воздуха.

В общем случае скорость испарения жидкости определяется суммой мольного и диффузионного потоков пара. Детальный анализ процесса испарения с открытой поверхности был дан Стефаном в 1882 г., а опыты Винкельмана (1888 г.) вполне подтвердили его теоретические выкладки, поэтому

и0 - ^ ит ЯТп

I ^ 1п

Ра - Р Р - Р

(3)

где В0 — коэффициент диффузии молекул ГЖ в газовой фазе при нормальной температуре Т0; Я — универсальная газовая постоянная; Ра — атмосферное давление; 5 — толщина диффузионного слоя; Р1 — давление пара ГЖ в окружающей среде на расстоянии от поверхности, равном толщине диффузионного слоя 5;

Р3 — давление насыщенного пара ГЖ при температуре поверхности Т8. Показатель степени т в формуле (3) для углеводородов приблизительно равен 2.

С помощью формулы (3) можно проанализировать влияние на скорость испарения ГЖ основных параметров, изменяющихся в процессе тушения водой:

• температуры поверхности;

• температуры газовой фазы;

• толщины диффузионного слоя;

• структуры молекул горючего (через коэффициент диффузии молекул в паровой фазе);

• концентрации паров жидкости в окружающей среде.

В соответствии с формулой Стефана (3) скорость выгорания (испарения) будет тем выше, чем больше давление насыщенного пара жидкости Р3 и чем выше температура в факеле пламени ТР. При горении величина Р1, как правило, очень мала, поскольку измеряется в зоне горения, а толщина диффузионного слоя измеряется от поверхности ГЖ до зоны горения. При ламинарном горении ГЖ в цилиндрических горелках толщина диффузионного слоя равна высоте свободного борта, а при турбулентном горении — фактическому расстоянию до факела пламени. В случае горения капель ГЖ при их истечении из отверстий толщина диффузионной зоны равна толщине слоя воздуха, не превышающей размер капли.

Скорость выгорания ГЖ в процессе тушения водой снижается вследствие не только понижения температуры газовой фазы, но и в результате охлаждения поверхности жидкости. Взаимосвязь между давлением насыщенного пара и температурой жидкости определяется уравнением Клаузиса-Клапей-рона:

1п I Р1--АН Г_1 - _1

Р

Я

(4)

где АН — теплота испарения ГЖ.

т

При тушении ГЖ высокодисперсной водой ее капли не долетают до поверхности жидкости, испаряясь в зоне горения и в предпламенной зоне. В результате температура газовой фазы снижается, и синхронно понижается скорость доставки паров горючего, что в свою очередь уменьшает интенсивность выделения тепла. В этом случае снижение скорости выгорания происходит синхронно с охлаждением факела пламени, а количественным критерием потухания пламени является температура, при которой поток испаряющейся жидкости не обеспечивает концентрацию, необходимую для горения, т. е. она оказывается в смеси ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ).

Физико-химические свойства горючей жидкости, такие как вязкость, плотность, растворимость в воде, а также наличие в ней компонентов с различной плотностью и температурой кипения определяют характер распределения температуры от поверхности вглубь жидкости.

Однокомпонентные жидкости (ГЖ) и смеси веществ с небольшим различием плотности в процессе горения приобретают экспоненциальный (спадающий) профиль температуры, а типичные много-

компонентные жидкости — бензин и нефть, состоящие из широкой фракции углеводородов, сильно различаются по плотности и температуре кипения, при горении быстро прогреваются вглубь, формируя гомотермический слой с температурой 150_200 °С.

Поскольку при длительном горении толщина гомотермического слоя велика, распыленная вода, попавшая в процессе тушения в горящую нефть, обязательно испарится. Тогда тушение пламени может произойти раньше, чем поверхность нефти охладится до температуры вспышки.

Иная ситуация может сложиться при тушении высоковязких масел и мазута. В этом случае капли воды в процессе тушения начнут накапливаться на охлажденной поверхности горючего. В результате коэффициент использования воды увеличится за счет более длительного контакта воды с нагретой поверхностью.

Если капли воды содержат добавки, резко снижающие поверхностное натяжение раствора и обеспечивающие его растекание по ГЖ, то время контакта капель с поверхностью также возрастет, что повысит коэффициент использования воды за счет увеличения доли испарившихся капель.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. БлиновВ. И.,ХудяковГ. Н. Диффузионное горение жидкостей.—М.: АН СССР, 1961.—208 с.

2. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. — М. : Наука, 1980. — 480 с.

3. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. — М. : Химия, 1982. —400 с.

4. Семенов П. Течение жидкости в тонких слоях // Журнал технической физики. — 1944. — Т. 14, № 7-8. — С. 427-437.

5. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. — Л. : Химия, 1974. — 352 с.

Материал поступил в редакцию 27 июня 2013 г.

= English

EXTINGUISHING OF COMBUSTIBLE LIQUID BY ATOMIZED WATER

SHAROVARNIKOV A. F., Doctor 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])

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])

ABSTRACT

The fire control mechanism of combustible liquids (CL) with high flashpoint is determined by physical and chemical composition of liquid as well as dispersion of water drops.

Fire extinguishing is possible only if the burning zone has been cooled to the extinction temperature regardless of the cooperation behaviour of sprayed water and combustible liquid. It could be achieved by various methods:

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 TOM 22 №11

73

• at the expense of evaporation of water drops directly in the burning zone;

• reduction of heat emission in the burning zone;

• dilution of gas mixture with water vapour;

• reduction of the inflow speed of air-vapor mixture by the surface cooling or by dilution of combustible liquid with water.

The surface is given a liquid - vapour interface, and the issue of the surface cooling is ambiguous for stating the boundary conditions in a heat exchange problem in the process of extinguishing of CL by cooling its surface. In theory cooling of the thinnest liquid layer bordering the liquid-vapour interface to the flashpoint will be enough to fulfill the conditions of fire extinction. Though, the minimal thickness of this layer is not to be larger than evaporating molecules, and the maximal one is defined by the variation diagram of fundamental system parameter — density. This very parameter indicates liquid-vapour transition.

The term "hot boundary liquid layer" should be used instead of the term "liquid-vapour interface". It is natural that in conditions of heat convection in the boundary layer heated to the higher temperature than the flashpoint, one will manage to cool the surface to the flashpoint only after excessive heat accumulated in hot boundary layer has been removed.

The flying speed and the size of water drops are very high; therefore, provided that the thickness of the boundary layer heated to the flashpoint does not exceed 1.0-1.5 mm one can imagine that the process of the surface cooling by water will lead to intensive mixing of liquids in the boundary layer and convective heat and mass exchange between the hot boundary layer and deep layers of the liquid. The latter effect denotes an additional factor that contributes to the cooling of the boundary layer during extinguishing of CL whereas it mixes up with "cold" underlying layers of the liquid.

When the CL is being quenched with gross water, the flame torch disappears only after the boundary layer has been cooled to the flashpoint, therefore the moment of fire suppression coincides the moment when the surface reaches this temperature. An average temperature of the boundary layer in steady state of combustion is maintained due to dynamic equilibrium of established heat flows from the flame torch to the surface, from the boundary layer into the depths of the liquid and as a result of fuel evaporation and constant burnout velocity. If dispersed water is supplied to the burning zone, it disturbs the established dynamic equilibrium. The dispersed water dramatically reduces the intensity of a radiant heat flow from the flame torch to the surface, meanwhile the temperature of water drops increseas.

When the CL is being quenched with finely dispersed water, its drops do not reach the surface of the liquid, they evaporate in the burning area and pre-flame area. As a result, the temperature of gas phase and the speed of vapour inflow decrease synchronously which respectively reduces the intensity of heat release. In this case reduction of burnout velocity is synchronous to the cooling of the flame torch, and the quantitative criterion of fire extinction is the temperature at which the flow of the evaporating liquid is not concentrated enough to keep burning, i. e. the liquid appears to be in the mixture under lower explosive limit (LEL).

Keywords: fire control of combustible liquids; dispersed water; combustible liquids with high flashpoint; surface cooling of combustible liquid.

REFERENCES

1. Blinov V. I., Khudyakov G. N. Diffuzionnoye goreniye zhidkostey [Diffusion burning of liquids]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 1961. 208 p.

2. Zel'dovich Ya. B., Barenblatt G. I., Librovich V. B., Makhviladze G. M. Matematicheskaya teoriya goreniya ivzryva [Mathematical theory of burning and explosion]. Moscow, NaukaPubl., 1980.480 p.

3. Frolov Yu. G. Kurs kolloidnoy khimii. Poverkhnostnyyeyavleniya i dispersnyye sistemy [The course of dispersoidology. Surface phenomena and disperse systems]. Moscow, Khimiya Publ., 1982. 400 p.

4. Semenov P. Techeniye zhidkosti v tonkikh sloyakh [The fluid flow in thin layers]. Zhurnal tekhniche-skoy fiziki — Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 1944, vol. 14, no. 7-8, pp. 427-437.

5. Friedrichsberg D. A. Kurs kolloidnoy khimii [The course of dispersoidology]. Leningrad, Khimiya Publ., 1974. 352 p.