Тушение пламени огнетушащими порошками и аэрозольными составами Текст научной статьи по специальности «Физика»

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: ICA_kbs@mgsu.ru)

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: ICA_kbs@mgsu.ru)

УДК 614.841.123.24

ТУШЕНИЕ ПЛАМЕНИ ОГНЕТУШАЩИМИ ПОРОШКАМИ И АЭРОЗОЛЬНЫМИ СОСТАВАМИ

Эффективность средств и способов тушения оценивают по минимальному расходу огнетуша-щего вещества на тушение. Исходя из теории прекращения горения, для тушения пламени достаточно снизить его температуру в зоне горения до 1000 °С, что равносильно поглощению 50 % тепла, выделяющегося при горении в единицу времени. Рассмотрены способы снижения температуры в зоне горения. Показано, что закономерности тушения пламени с помощью огне-тушащих порошков и аэрозольных составов имеют много общего с механизмом огнетушащего действия воды высокой степени дисперсности. Порошкам приписывается еще один механизм воздействия на пламя — эффект огнепреграждения. Рассмотрен материальный баланс порошка, который формирует объемную сетку огнепреградителя над всей поверхностью горящей жидкости. Выявлена взаимосвязь оптимальной и критической интенсивности. Показано, что при тушении пламени различными веществами (жидкими хладонами, распыленной водой и порошком) независимо от принятой модели процесса тушения во всех исследованных случаях выявляется экстремальная зависимость удельного расхода от интенсивности подачи огнетушащего вещества.

Ключевые слова: пожаротушение; огнетушащий порошковый состав; аэрозольный состав; эффект огнепреграждения; удельный расход огнетушащего вещества; интенсивность подачи огнетушащего вещества; механизм тушащего действия.

В соответствии с выводами работ [1,2] при использовании огнетушащих веществ (ОТВ) всегда проявляется экстремальная зависимость удельного расхода вещества, применяемого при тушении, от интенсивности его подачи. Этот эффект впервые был описан в работе [1], в которой представлены результаты испытаний порошков на огнетушащую эффективность. Графическая иллюстрация экстремальной зависимости удельного расхода ОТВ от интенсивности его подачи (рис. 1) [2] приведена в справочнике [3]. В [2] отмечается, что "такой вид связи

в

с

опт

Рис. 1. Зависимость удельного расхода ОТВ О от интенсивности подачи вещества I

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

между нормативными параметрами характерен для всех способов и средств пожаротушения... Природа экстремального характера зависимости О = /(I) изучена недостаточно и, по-видимому, специфична для каждого способа тушения".

В настоящей работе сделана попытка ответить на вопросы: что общего в механизме тушащего действия веществ и по какой причине возникает экстремальная зависимость между удельным расходом ОТВ и интенсивностью его подачи. Важность этих вопросов связана с возможностью путем математических преобразований представлений о модели процесса тушения конкретными веществами выявить оптимальную интенсивность подачи ОТВ.

Эффективность огнетушащих веществ и способов тушения оценивают по минимальному расходу ОТВ О на тушение. Чем меньше величина О, тем эффективнее средство тушения и способ пожаротушения. Обычно минимальный удельный расход ОТВ От1п для каждого средства и способа достигается при оптимальных условиях, определяемых минимальными затратами порошка на тушение.

Оптимальные значения параметров пожаротушения определяются путем построения зависимости О = хI, имеющей экстремальный характер с четко

выраженным минимумом: область пожаротушения находится в заштрихованной части (см. рис. 1).

Исходя из теории прекращения горения, для тушения пламени достаточно снизить его температуру в зоне горения до 1000 °С, что равносильно поглощению 50 % тепла, выделяющегося при горении в единицу времени. Тушение пламени газовыми, порошковыми, аэрозольными составами и распыленной водой целиком базируется на данной теории, хотя способы решения задачи снижения температуры пламени и уменьшения скорости тепловыделения в единичном объеме достигаются по-разному, в зависимости от химического строения и физических свойств молекул газа, используемого для тушения пожара.

Снижение температуры в зоне горения может быть достигнуто следующими способами:

• уменьшением концентрации горючего в объеме за счет разбавления смеси нейтральным газом;

• отводом части тепла от компонентов горючей смеси теплоемкими молекулами флегматизатора;

• поглощением тепла на распад или диссоциацию молекул ингибитора;

• ингибированием цепной химической реакции (т. е. снижением эффективной концентрации горючего в смеси) с целью предотвращения участия в горении части горючего. Независимо от механизма действия газовых

средств тушения результатом флегматизации должно быть понижение температуры горючей смеси до температуры потухания, равной 1050 К.

Высокая огнетушащая эффективность порошков привлекает к ним постоянное внимание, несмотря на их недостатки, обусловленные их гигроскопичностью и слеживаемостью. Кроме того, небольшая дальность полета порошковой струи требует приближения пожарных вплотную к очагу пожара, что делает опасным оперативное использование мобильных порошковых огнетушителей.

Закономерности тушения пламени с помощью огнетушащих порошков и аэрозольных составов имеют много общего с механизмом огнетушащего действия воды высокой степени дисперсности. Как и в случае с распыленной водой, основной механизм огнетушащего действия концентрируется в зоне пламенного горения смеси паров горючего с кислородом воздуха, но имеются и отличительные моменты. Действие распыленной воды, в первую очередь, обусловлено поглощением тепла в зоне горения за счет испарения капель жидкости и насыщением водяным паром зоны горения. Отличительный признак воды — очень высокая теплота испарения, что позволяет резко снизить накопление тепла, выделяемого в процессе горения паров горючего.

Высокая эффективность действия распыленного порошка объясняется высокой удельной площадью поверхности дисперсной системы. За счет высокоразвитой поверхности порошок быстро поглощает тепло, которое расходуется на нагревание и плавление твердых частиц.

Наряду с тепловым механизмом действия порошка, который во многом похож на действие распыленной воды и жидких фреонов, имеют место дополнительные эффекты, которые рассматриваются только для высокодисперсных систем с развитой поверхностью.

Особое влияние порошка на газовую смесь связано с ингибированием химической реакции окисления молекул горючего кислородом воздуха. Этот механизм очень сложен, если речь идет о влиянии развитой поверхности порошка на цепную реакцию горения. Наиболее вероятным результатом ингиби-рующего действия порошка является его воздействие на процесс окисления, в результате которого меняется основной продукт окисления: вместо продукта полного окисления — углекислого газа СО2 реакция проходит с образованием оксида углерода СО. В результате неполного сгорания молекул горючего выделяется пониженное количество тепла. Так, при полном сгорании этилового спирта с образованием СО2 выделяется 27760 кДж/кг, а при ин-гибированном механизме, когда образуется преимущественно СО, — только 15456 кДж/кг.

Порошкам приписывается еще один механизм воздействия на пламя — эффект огнепреграждения. Он аналогичен предотвращению прямого контакта пламени с наружной атмосферой в шахтерских лампах, которое обеспечивается с помощью тонкой металлической сетки. Эффект огнепреграждения, по существу, является результатом теплосъема из горящей газовой смеси: при прохождении через узкие каналы металлической сетки поток пламени резко остужается за счет съема тепла металлической поверхностью сетки.

Таким образом, для огнетушащих порошков в качестве основного механизма огнетушащего действия могут рассматриваться:

• теплосъем из зоны горения на нагревание и плавление частиц;

• ингибирование химической реакции горения;

• эффект огнепреграждения.

Кроме основных видов воздействия порошка на поверхность горящего твердого горючего материала (ТГМ), дополнительно могут рассматриваться такие воздействия, как разложение огнетушащего порошка на компоненты, а также частичное испарение массы порошка.

Особый случай представляет эффект тушения составами, которые способны разрываться в зоне

горения на мелкие частицы. Такой эффект наблюдается при использовании в составе порошка мочевины — карбамида, который при попадании в зону с высокой температурой частично распадается на аммиак и углекислоту, что приводит к разрыву частиц на более мелкие. Данная технология очень удобна в применении, поскольку исходные частицы, имеющие крупные размеры, могут подаваться на большие расстояния, а составы порошков с карбамидом благодаря их высокой гигроскопичности и слежи-ваемости поглощают влагу из атмосферы.

Детальный анализ перечисленных выше эффектов выявляет определяющую роль теплового фактора — поглощение тепла в различных ситуациях.

Механизм тушения пламени порошками не может быть сведен только к одному из выделенных ранее эффектов. Каждый из этих эффектов вносит свой вклад в процесс тушения, поскольку трудно отделить механизм огнепреграждения с использованием объемной сетки порошка от влияния развитой поверхности на процесс горения и полноту сгорания молекул горючего вещества.

По аналогии с огнетушащими хладонами — флег-матизаторами горения можно принять, что потухание пламени произойдет, если в газовой смеси сте-хиометрического состава будет обеспечена концентрация порошка, достаточная для теплосъема по любому из перечисленных механизмов.

Механизм тушения пламени с использованием модели огнепреграждения

Рассмотрим механизм тушения пламени с акцентом на эффект огнепреграждения. В данном случае необходимо обеспечить такое содержание порошка в газовой смеси, которого будет достаточно для формирования объемной сетки, например, кубиче-

Частицы порошка

Частицы порошка

О&ьемный огнепреградитель

ской структуры. В центрах смежных кубиков сетки находятся частицы порошка. Расстояние между последними должно быть не более критического, при котором по мере продвижения поток пламени теряет больше половины тепла и потухает. Съем тепла порошком начинается в нижнем слое пространственной решетки и заканчивается после прохождения через объемную структуру взвешенного порошка.

Содержание порошка в смеси стехиометриче-ского состава, для тушения которого используется объемная сетка, можно определить по одной из принятых моделей структуры "объемного огнепрегра-дителя" (рис. 2).

Содержание порошка в единице объема (тушащая концентрация)ф (кг/м3) определим по формуле (1), которая соответствует модели с кубической структурой:

туш

= 0,2 5 р

d + 2D кр

(1)

Рис. 2. Вариант модели структуры объемной порошковой огнепреградительной сетки с расположением частиц порошка внутри условного кубика

где р—средняя плотность материала порошка, кг/м3; d — диаметр частицы, м; DKp — критическое расстояние между частицами в кубической структуре, м. Критическое расстояние между частицами определяется свойствами и составом порошка и составляет от 2 до 4 диаметров частиц. Размер частиц порошка обычно регламентируется производителем. Критическое расстояние между частицами зависит от удельной площади поверхности порошка. Чем больше удельная площадь и чем меньше средний размер одной частицы, тем меньше критическое расстояние между частицами. В этой модели химические свойства материала порошка не играют существенной роли, поскольку все порошки имеют близкий по величине коэффициент теплопроводности. Именно теплопроводность позволяет быстро отвести часть тепла из тонкой струйки пламени.

Огнетушащая концентрация порошка зависит от удельной площади его поверхности. Чем больше удельная площадь, тем ниже огнетушащая концентрация, а значит, выше огнетушащая эффективность. Наряду с удельной площадью поверхности особую роль играет удельная теплопроводность частиц порошка. Порошок на основе хлористого калия KCl заметно эффективнее порошка из хлористого натрия NaCl, поскольку удельная теплопроводность KCl в несколько раз выше, чем у NaCl.

При оценке тушащей концентрации по механизму огнепреграждения при d =50мкм и D = 3d установлена минимальная тушащая концентрация фтуш = = 1,4 кг/м3. Этот результат получен для слоя, содержащего 1,4 кг порошка, основным компонентом которого является хлористый натрий.

3

Процесс формирования объемного огнепрегра-дителя может быть рассмотрен по схеме, аналогичной процессу тушения жидкими хладонами резервуара со спиртом [5]. Порошок подается в нижнюю часть пламени таким образом, чтобы как можно меньшее количество его было вынесено восходящим потоком горючей смеси. Тогда слой "огне-преградителя" будет постепенно распространяться над всей поверхностью горящей жидкости.

Условием потухания пламени будет образование в газовоздушной смеси слоя порошка с концентрацией не менее фтуш. Расход порошка должен компенсировать его потери, которые происходят с непрерывно поднимающимся потоком пара. Секундный расход порошка должен обеспечить в восходящем потоке стехиометрической смеси пара и воздуха тушащую концентрацию порошка фтуш. После накопления последней в зоне горения происходит тушение.

В смеси стехиометрического состава содержание горючего газа тг (кг) определяется по формуле

шТ = У МТ /22,4 = фг УСм МТ /22,4,

(2)

где Уг — объем горючего газа в смеси стехиометрического состава; Усм — объем горючей смеси, м3; Мг — молярная масса горючего, кг/моль; Фг — концентрация порошка, кг/м3. Если удельная скорость выгорания жидкости составляет ио (кг/(м2-с)), то для прекращения горения расход порошкад (кг/с) должен составлять не менее:

д = и0 5о фтуш /фг, (3)

а критическая интенсивность подачи ОТВ

^кр ио фтуш /фг,

(4)

где 5о — площадь поверхности горения, м .

Критическая интенсивность подачи порошка / которая соответствует секундному расходу, определяется делением д на всю площадь поверхности пролива £о. Интенсивность, определенная по минимальной тушащей концентрации, будет критической, поскольку даже небольшое снижение ее не позволит потушить пламя, и время тушения станет очень большим.

Рассмотрим материальный баланс порошка, который формирует объемную сетку огнепреградите-ля над всей поверхностью горящей жидкости. Модель процесса тушения пламени по механизму огнепреграждения показана на рис. 3.

При тушении пламени аварийного пролива гептана критическая интенсивность подачи порошка, рассчитанная по формуле (4) с учетом (1) и (3), составляет 0,25 кг/(м2-с).

В данной модели вводится предположение, что толщина слоя, в котором происходит формирование

Рис. 3. Модель процесса тушения пламени по механизму огнепреграждения

пространственной структуры огнепреградителя, зависит от локального расхода порошка, поскольку порошковая струя эжектирует поток воздуха. Непосредственно вблизи от падающей струи толщина слоя будет зависеть от секундного расхода порошковой струи. Средняя толщина слоя объемного огне-преградителя складывается из минимальной толщины, определяемой минимальной тушащей концентрацией, и толщины слоя, пропорциональной скорости воздушной струи и дисперсности порошковой системы. В первом приближении примем, что толщина слоя в месте входа струи порошка пропорциональна его расходу. Минимальная толщина слоя Ио (м) определяется из сопоставления теплоотвода и тепловыделения в зоне горения:

й (й + 25о) и о Q Е

И = -

о 2Хо(Т> - То)

(5)

где 5о — критическое расстояние между частицами порошка в кубической структуре, м; Qн — низшая теплота сгорания, Дж/кг;

— удельная теплопроводность, Дж/(м2-с-К); Т, То — средняя температура соответственно пламени и порошка, К;

И = Ио + Ид ,

(6)

И — толщина тушащего слоя порошка, м;

А

д

максимальная толщина тушащего слоя порошка, нарастающая пропорционально расходу порошка, м;

Ид = Р д;

(7)

Р — константа, мало изменяющаяся с ростом д.

Выражение для Ид (7) используется при оптимизации процесса тушения пламени горючей жидкости порошком. Если потери порошка из-за его выноса происходят по всей площади горючей жидкости с одинаковой удельной скоростью ио, которая

остается неизменной в течение всего периода времени тушения, то материальный баланс порошка может быть представлен уравнением [4, 5]:

где х

туш

q ¿хтуш = So Uo ¿Хтуш + Рем h dSo.

время тушения, е;

(8)

рсм — средняя плотность смеси, кг/м . Уравнение (8) при граничных условиях I =0 при 50 = 0 имеет вид:

5 о

ln

q - uoS o q

= ln I 1 - Uo

= ln I 1 - Uo =

1 J U

— х .

h 1уш

qS o

(9)

Заменим д/50 на У, тогда получим формулу для времени тушения:

' туш

■Рем* ln f 1 - Uo

Uo У J

(10)

Учитывая, что:

Ио = ? фг/(фтуш 5о); (11)

рсм = Фг Мг /22,4, (12)

получим уравнение, учитывающее специфику процесса тушения по механизму огнепреграждения:

hoФ туш M

(

""туш

22,4 J

Ф г ln

кр

1-

q Фг

J ф

S

туш o

(13)

Для дальнейшего анализа с целью выявления оптимальной интенсивности подачи порошка воспользуемся формулой (10), в которую введем зависимость толщины тушащего слоя от интенсивности подачи порошка из (6):

_ р см(РУ + М-

v туш

ln|1 - J

(14)

Величину д заменим на У путем деления ее на площадь поверхности резервуара. Тогда удельный расход порошка Q (кг/м3) будет рассчитываться по формуле

Q = JХтуШ = (р J2 + Jho) ln I 1 - J J. (15)

Дальнейшие преобразования для выявления оптимальной интенсивности проведем способом, аналогичным описанному в предыдущих исследованиях [5-7], где тушение проводили с помощью низко-кипящих хладонов и распыленной водой.

С целью получения расчетного соотношения для количественной оценки оптимальной интенсивности производную расхода по интенсивности приравняли к нулю и далее выявили взаимосвязь оптимальной Уопт и критической интенсивности:

Уэпт 2,7JKp u (

Ф

M

туш туш Ф г M г

(16)

где Мтуш — молярная масса порошка, кг/моль.

Подставив У = Уопт в формулу (15), получим выражение для расчета для тушения пламени порошком в модели огнепреградителя:

G min = 3,7ф

туш

d (d + 250) UoQ

2X o(Tf - To) '

(17)

При сопоставлении хода анализа тепломассообмена при тушении пламени различными веществами (жидкими хладонами, распыленной водой и порошком), независимо от принятой модели процесса тушения во всех исследованных случаях выявляется экстремальная зависимость удельного расхода от интенсивности подачи огнетушащего вещества.

U

o

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nash P. Powder and extinguishing system // Fire Prevention. — 1977. — No. 118. — P. 17-21.

2. Баратов A. H., Корольченко А. Я., Кравчук Г. H. и др. Пожаровзрывоопаеноеть вещеетв и материалов и ередетва их тушения : еправочник: в 2 кн. — М. : Химия, 1990. — Кн. 1. — С. 88.

3. Баратов A. H., Вогман Л. П. Огнетушащие порошковые еоетавы. — М. : Стройиздат, 1982.

4. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопаеноеть вещеетв и материалов и ередетва их тушения : еправочник: в 2 ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. I. — С. 124.

5. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Тушение горючих жидкоетей выеококипящими хладонами // Пожаровзрывобезопаеноеть. — 2014. — Т. 23, № 5. — С. 67-71.

6. Шароварников А. Ф., Корольченко Д. А. Влияние диепереноети капель воды на эффективноеть тушения пожаров горючей жидкоети // Пожаровзрывобезопаеноеть. —2013. — Т. 22, № 12. — С. 69-74.

7. Шароварников А. Ф., Корольченко Д. А. Тушение горючих жидкоетей раепыленной водой // Пожаровзрывобезопаеноеть. — 2013. — Т. 22, № 11. — С. 70-74.

Материал поступил в редакцию 16 июня 2014 г.

EXTINGUISHING OF A FLAME BY DRY CHEMICAL POWDERS AND AEROSOL COMPOSITIONS

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: ICA_kbs@mgsu.ru)

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: ICA_kbs@mgsu.ru)

ABSTRACT

Efficiency of extinguishing means and methods is estimated by minimal consumption of fire extinguishing agent. From the theory of burning termination it is detect that for extinguishing of a flame it is enough to reduce the temperature in combustion zone down to 1000 °C that is equal to absorption of 50 % of heat released while burning in unit of time. Ways to reduce the temperature in combustion zone are considered. It is shown that regularities of flame extinguishing by dry chemical powders and aerosol compositions have much in common with mechanism of extinguishing effect of finely dispersed water. Powders have one more mechanism that impact on a flame — flame arrest effect. Material balance of a powder which forms the flame arrester volumetric grid over all surface of burning liquid is considered. The interrelation of optimum and critical intensity is revealed. It is shown that during extinguishing by various substances (liquid freon, sprayed water and powder), irrespective of the accepted suppression model, in all studied cases it is revealed an extreme dependence of specific consumption on delivery rate intensity of extinguishing substance.

Keywords: fire extinguishing; fire-extinguishing powder; aerosol composition; flame arrest effect; удельный расход огнетушащего вещества; intensity of extinguishing substance delivery rate; mechanism of extinguishing action.

REFERENCES

1. Nash P. Powder and extinguishing system. Fire Prevention, 1977, no. 118, pp. 17-21.

2. Baratov A. N., Korol'chenko A. Ya., Kravchuk G. N. et al. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i mate-rialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting. Reference]. Moscow, Khimiya Publ., 1990, book 1, p. 88.

3. Baratov A. N., Vogman L. P. Ognetushashchiyeporoshkovyye sostavy [Fire-extinguishing powders]. Moscow, Stroyizdat, 1982.

4. Korol'chenko A. Ya., Korol'chenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik. 2-e izd. [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting. Reference. 2nd ed.]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004, part I, p. 124.

5. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tusheniye goryuchikhzhidkostey vysokokipyashchimikhla-donami [Combustible liquids suppression with high-boiling halons]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 5, pp. 67-71.

6. Sharovarnikov A. F., Korol'chenko D. A. Vliyaniye dispersnosti kapel vody na effektivnost tusheniya pozharov goryuchey zhidkosti [Impact of dispersion of water drops on the efficiency of fire extinguishing of combustible liquid]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 12, pp. 69-74.

7. Sharovarnikov A. F., Korol'chenko D. A. Tusheniye goryuchikhzhidkostey raspylennoy vodoy [Extinguishing of combustible liquid by atomized water]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 11, pp. 70-74.