CC BY
90
ши
Д-р техн. наук, профессор, академик НАНПБ, заместитель начальника Академии ГПС МЧС РФ
В. П. Назаров
Канд. техн. наук, старший научный сотрудник НИИ "Цеммаш"
М. В. Филипчик
Преподаватель кафедры "Пожарно-про-филактических дисциплин" Тольяттинского военного технического института
Н. Н. Старков
УДК 614.84
ТУШЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ПОЛЯРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРЕ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА ТВЕРДЫМ
Показана необходимость разработки новых, эффективных и экологически чистых способов и средств тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах. В качестве такого способа предлагается тушение диоксидом углерода твердым. Приведена принципиальная схема процесса тушения исследуемым способом. Экспериментально определена массовая скорость газообразования диоксида углерода твердого в керосине, этиловом спирте и ацетоне при различных температурах. При проведении полигонных испытаний по тушению модельного резервуара выявлена зависимость времени тушения пожара отудельного количества диоксида углерода твердого, применяемого для тушения.
В настоящее время, согласно статистическим данным, пожары на резервуарах средних и больших объемов с нефтепродуктами и, особенно, с полярными жидкостями существующими автоматическими системами практически не тушатся в связи с разрушением или повреждением этих устройств. Пожаротушение осуществляют в основном мобильными средствами или производят выжигание.
Таким образом, практика тушения пожаров на резервуарах ограничивается в основном использованием механизмов охлаждения и изоляции, как наиболее простых и доступных. В качестве наиболее распространенного средства тушения выступают различного рода пены. Причем в этом случае возникают проблемы, связанные с экологией и качеством оставшейся в резервуаре продукции. В связи с вышеперечисленным существует необходимость разработки новых способов и средств тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре, достаточно эффективных и экологически чистых.
В качестве нового способа тушения пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре предлагается тушение диоксидом углерода твердым.
Теоретическое обоснование рассматриваемого способа заключается в следующем. Условия, необходимые и достаточные для тушения пожара, вы-
званного горением паров, оттекающих со свободной поверхности легковоспламеняющейся (ЛВЖ) или горючей (ГЖ) жидкости, путем охлаждения ее поверхностного слоя, могут быть записаны в виде неравенства:
Iпов — Iвсп 5 (1)
где 1пов и 1всп — температура поверхности и вспышки жидкости соответственно. Данное условие, в свою очередь, выполняется при существовании следующего соотношения:
деотв ^ 1(хт + д.
зап
ж '
(2)
где ДдПтв — количество тепла, которое следует отвести от 1 м2 поверхностного слоя жидкости, кДж/м2;
Ял (хт) — интенсивность лучистого теплового потока, поступающего от факела пламени к зеркалу поверхности ЛВЖ, ГЖ в процессе тушения, кДж/(м2-с); хт — время тушения, с;
0зап
ж — количество тепла, запасенное в поверхностном слое жидкости, кДж/м2. Принципиальная схема процесса тушения исследуемым способом представлена на рис. 1.
Гранулы диоксида углерода твердого помещаются в резервуар с горящей жидкостью. Так как
Воздух
V^^'i V^'^'f К)1
^ ! « W " í „ W ^ r.-^J
о
о
Q_^
Твердый СО2
Воздух
Газовая оболочка над зеркалом жидкости
Турбулентные газовые потоки СО2
2
Рис. 1. Принципиальная схема процесса тушения пожара ЛВЖ и ГЖ диоксидом углерода твердым
плотность твердой фазы диоксида углерода выше плотности жидкости, гранулы опускаются на дно резервуара. На поверхности гранул бурно протекает сублимация (от лат. sublimo — высоко поднимаю, возвышаю) — возгонка, переход вещества из кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное без химического изменения состава, происходит с поглощением теплоты (фазовый переход первого рода) [1]. В результате этого процесса наблюдается активное поглощение тепла от нижнего слоя жидкости (теплота сублимации равна 570,8 кДж/кг).
Выделившийся газ устремляется к поверхности зеркала жидкости. В результате сильно развитого контакта по поверхности мельчайших пузырьков диоксида углерода с ГЖ, большой разности температур газа и жидкости (At — 150-250°С) и значительной теплоемкости СО2 происходит активное поглощение тепла для нагревания газовых потоков до температуры жидкости. При этом необходимо сделать очень важное замечание: теплота сгорания бензина составляет 43,6 кДж/кг, т.е. количество тепла, поглощаемое при сублимации 1 кг диоксида углерода твердого, превосходит более чем в 10 раз теплоту сгорания жидкости.
Помимо поглощения тепла от жидкости вследствие теплообмена бинарной системы "газ - жидкость" газовые потоки за счет силы трения вызывают турбулентные завихрения, создающие активное перемешивание слоев, что приводит к снижению температуры поверхностного слоя.
Кроме того, в процессе сублимации с потерей массы отдельные гранулы поднимаются к поверхности. Это связано с образованием вокруг гранул постоянной газовой оболочки, которая создает подъемную силу. Происходит дополнительный тепломассоперенос, снижающий энергетический запас поверхностного слоя жидкости.
Выделяющийся газ, проникая через границу среды "жидкость - атмосфера", скапливается над поверхностью зеркала жидкости. Происходят разбавление и охлаждение зоны горения. Необходимо заметить, что газ диоксид углерода — нейтральный, и процентная концентрация, достаточная для потухания пламени, составляет 30% от состава смеси.
Вследствие действия всех описанных механизмов (охлаждения и перемешивания слоев жидкости, охлаждения и разбавления зоны пламенного горения) наступает потухание пламени.
В рамках исследования огнетушащей способности диоксида углерода твердого проводились опыты по изучению изменения скорости газообразования в процессе сублимации диоксида углерода твердого, помещенного в различные типы жидкостей, в холодном и нагретом состояниях при нормальных условиях [2-5].
При проведении экспериментов через равномерные промежутки времени измерялись значения следующих показателей:
• Атобщ — изменение массы сосуда с жидкостью и помещенным в него диоксидом углерода твердым, кг;
AL
изменение средней температуры жидкости
под воздействием тепломассопереноса, образованного потоком газа диоксида углерода, °С. Массовая скорость газообразования диоксида углерода т' (кг/(м2-с)) определялась по формуле:
Am
m =
общ i
f Ax
(3)
где Атобщ г — измеряемая масса диоксида углерода твердого, испаряющегося за промежуток времени Ах, кг;
/ — площадь поверхности испарения диоксида углерода твердого, м2;
Ах — промежуток времени между замерами параметров, с.
Потеря массы вычислялась с учетом испарившейся жидкости:
Am
j Ax i
общ i
1общ 0
1общ (i - 1)
(4)
где ] — интенсивность испарения жидкости, кг/(м2-с);
Б — площадь поверхности сосуда, м2. Графически результаты экспериментального определения массовой скорости газообразования диоксида углерода твердого в керосине, этиловом спирте и ацетоне при различных температурах приведены на рис. 2.
Из полученных данных видно, что массовая скорость испарения диоксида углерода твердого за-
ООЖАРООЗРЬЮОБЕЗООАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15 №5
83
т', кг/(м2-с) 1,6
1,4 1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1
II
2
3
20
40
60
80
100
г, °С
Рис. 2. Изменение при различной температуре массовой скорости газообразования диоксида углерода твердого, помещенного в различные типы жидкостей: 1 —керосин; 2 — этиловый спирт; 3 — ацетон
висит главным образом от температуры и физико-химических характеристик параметров ГЖ. Причем сублимация диоксида углерода твердого происходит с большей интенсивностью (скоростью) в жидкостях с более низкой температурой кипения.
Необходимо обратить внимание, что процесс сублимации диоксида углерода твердого, помещенного в жидкость, протекает почти в 60 раз интенсивнее, чем на воздухе.
Проведенные эксперименты и предварительный анализ показали, что существенным фактором влияния рассматриваемого механизма на время тушения является скорость изменения температурного поля в слоях жидкости, происходящего благодаря массопереносу, вызываемому газовыми потоками, образующимися при сублимации диоксида углерода твердого. Необходимо заметить, что описываемый механизм в процессе тушения действует комплексно с другими рассматриваемыми механизмами: охлаждения слоя жидкости газовым потоком, охлаждения и разбавления зоны горения негорючим газом, изоляции зоны горения от доступа кислорода воздуха, ингибирования, что в целом приводит к успешному тушению.
При тушении пожара диоксид углерода твердый в процессе сублимации не только охлаждает жидкость, но и снижает концентрацию горючих веществ в зоне горения и температуру зон пламенных реакций и др.
При проведении полигонных испытаний по тушению модели резервуара диаметром 2,5 м и высотой 0,7 м, заполненной дизельным топливом, получены результаты, представленные на рис. 3 в виде графической зависимости времени тушения пожа-
60 50 60 30 20 10
\1
\\
2
1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
Расход огнетушащего вещества, кг/м2
Рис. 3. Зависимость времени тушения пожара на модели резервуара от удельного количества диоксида углерода твердого: 1 — эксперимент; 2 — расчет
ра от удельного количества диоксида углерода твердого, применяемого для тушения.
Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы.
1. Тушение наступает быстрее в случае, если увеличен свободный борт резервуара. При этом над поверхностью образуется газовая подушка, которая создает более благоприятные условия изоляции поверхности жидкости от доступа кислорода воздуха. Высокий борт ослабляет внешние конвективные потоки, что увеличивает устойчивость газового облака.
2. Скорость тушения напрямую зависит от размеров частиц диоксида углерода твердого: у крупных процесс сублимации происходит дольше, чем у мелких частиц, что обусловлено разницей площадей взаимодействия твердого вещества с жидкостью, значит большее количество газа в единицу времени будет выделяться при подаче более мелких частиц углекислоты.
3. При тушении на открытом пространстве немаловажную роль играет ветер. Для более эффективного тушения диоксид углерода твердый следует подавать с наветренной стороны. При сильном ветре необходимое количество огнетушащего вещества увеличивается в несколько раз.
4. При тушении пожара диоксид углерода твердый не только охлаждает жидкость, но и снижает концентрацию горючих веществ в зоне горения и температуру зон пламенных реакций газообразного С02. Расчетным путем количественно оценить удельный вес каждого из этих механизмов тушения трудно из-за недостатка исходных данных о параметрах процесса тушения. Расчетные оценки по данным лабораторных опытов показывают, что
т.., с
0
0
пламя керосина гасится в резервуаре диаметром 30 см при содержании паров С02, равном 15%. Эта концентрация ниже гасящей, составляющей 25-30%, но в совокупности с охлаждением жидкой фазы горючего усиливается суммарный эффект тушения.
5. Преимущество тушения пожаров жидкостей диоксидом углерода твердым видно и при оценке стоимости сохраненного горючего вещества (спиртов, масел, нефтепродуктов и проч.). Экономический анализ показал, что предлагаемый способ пожаротушения дешевле базового.
Необходимо отметить также, что диоксид углерода твердый осуществляет тушение пожаров любых ЛВЖ и ГЖ, в том числе и полярных (ацетон, спирты, эфиры).
Если обратиться к экологическому аспекту, то следует отметить, что С02, который образуется при пожаре, — это наименьший токсический загрязнитель воздуха, а его способность поглощать излучение и вызывать парниковый эффект можно не учи-
тывать, так как объем продуктов горения при пожаре несравнимо меньше объема промышленных выбросов. Гораздо более опасны выбросы других продуктов горения и пиролиза: СО, Б02, N0,
N0* т4.
Таким образом, способ тушения пожаров диоксидом углерода твердым представляется перспективным, высокоэффективным и экономичным средством для тушения пожаров нефти, нефтепродуктов, а также полярных жидкостей в резервуарах.
Дальнейшая работа по исследованию физических и термодинамических свойств диоксида углерода твердого направлена на изучение огнетуша-щей способности данного вещества, исследование основных и дополнительных механизмов тушения, а также на перспективную разработку технических устройств, обеспечивающих подачу его в очаг пожара, позволяющих использовать данное вещество как самостоятельное огнетушащее средство при ликвидации пожаров на резервуарах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пименова Т. Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 205 с.
2. Чан Ван Тхао. Исследование механизма горения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в резервуарах и разработка рекомендаций по их тушению: Дисс. ... канд. техн. наук / ВИПТШ МВД СССР. — М., 1983. — 167 с.
3. Козлов В. А., Алябзис Р. А., Стецюк В. Ф., Быковцев А. Ю. Тушение пожаров ЛВЖ и ГЖ в резервуарах твердой двуокисью углерода // Организация тушения пожаров и аварийно-спасательных работ: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД РФ, 1990. — С. 98-101.
4. К вопросу о тушении легковоспламеняющихся и горючих жидкостей твердой двуокисью углерода // Материалы научных чтений "Белые ночи" Академии МАНЭБ. — СПб.: МАНЭБ, 2000.
5. Снижение экологического ущерба от пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах с применением нового способа тушения твердой двуокисью углерода // Известия Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск "ЕЬР1Т-2005". Т. 2. — Самара: Самарский научный центр РАН, 2005.
Поступила в редакцию 25.09.06.
