Тушение пожаров моторного топлива Европейского стандарта низкократной пеной Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ

С. С. Воевода

д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

С. А. Макаров

канд. техн. наук, старший научный сотрудникАкадемии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

В. П. Молчанов

д-р техн. наук, профессор Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

Д. Л. Бастриков

адъюнкт Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

М. А. Крутов

адъюнкт Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

УДК 614.84.664

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ МОТОРНОГО ТОПЛИВА ЕВРОПЕЙСКОГО СТАНДАРТА НИЗКОКРАТНОЙ ПЕНОЙ

Исследуется механизм тушения смесевых теплив и углеводородов со спиртами пенообразователями, содержащими полимерный стабилизатор. Рассмотрен процесс растекания пены с полимерным компонентом, входящим в состав пенообразователя, при нанесении на слой горючего. Изучено влияние концентрации полимерного компонента на термическую устойчивость пены и на толщину пенного слоя. Ключевые слова: пенообразователь; пленкообразующая пена; топливо.

Исследовательские работы, посвященные вопросам тушения смесей бензина и углеводородов со спиртами [1,2], выявили ряд особенностей, сопровождающих процесс тушения и свободного горения смесевого топлива. Внимание к данной проблеме связано с применением этих смесей в качестве автомобильного топлива, поэтому вопрос обеспечения пожарной безопасности объектов хранения и транспортирования смесевого топлива является актуальным.

В данной работе исследуется механизм тушения смесевых топлив пенообразователями, содержащими полимерный стабилизатор.

Основное отличие процесса тушения смесевых топлив пенообразователями с полимерным компонентом связано с тем, что при соприкосновении с горючим пена разрушается и формирует на поверхности толстый полимерный слой. В дальнейшем пена растекается по полимерному слою, который предотвращает непосредственный контакт пены с агрессивным растворителем.

Наличие полимера в водном растворе, с одной стороны, защищает пену от контакта с растворителем и обеспечивает ее повышенную устойчивость к воздействию теплового потока от пламени, а с другой — повышенная концентрация полимерного компонента (ПК) снижает скорость самопроизвольного растекания пены из-за ее высокой вязкости. Чтобы этого избежать, необходимо установить оптимальное содержание полимерного компонента в рабочем растворе, из которого образуется низкократная пена. Пенообразователи с полимером — полисахаридом представляют собой вязкую жидкость с консистенцией геля и относятся к неньютоновским жидкостям, эффективная вязкость которых зависит от скорости течения геля.

Результаты исследований пенообразователей с полимерным компонентом показывают определяющую роль концентрации последнего в пене. На рис. 1 представлены результаты тушения смесевого топлива полимерсодержащим пенообразователем ФС-600.

© Воевода С. С., Макаров С. А., Молчанов В. П., Бастриков Д. Л., Крутое М. А., 2011

300

250

200

150

д 100

50

: ÎÎÎ о Л

■ п

■ à \

i V L ГЙ-

- Концентрация ПК: □ 2,5 % А 3% О 9% О 7% ▲ 6% О 5% ■ 4,5 %

—■ 3—m

Концентрация полимера в пенообразователе, % об.

О 0,04 0,08 0,12 0,16

Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)

Рис. 1. Влияние концентрации пенообразователя ФС-600 на время тушения смесевого горючего (80 % бензин АИ-95 и 20 % ИПС)

Рис. 2. Влияние полимерного компонента на удельную скорость термического разрушения и устойчивость пен, полученных из пенообразователей с полимерным компонентом Г-ARC, ФС-600, A-ARC: Uu U2 и U3 — удельная скорость термического разрушения пены из пенообразователей соответственно Г-ARC, ФС-600 и A-ARC

Особенность экспериментальных результатов заключается в том, что огнетушащая эффективность пены достигает максимума при концентрации ПК 4,5 %, а дальнейшее увеличение доли ПК снижает ее огнетушащую эффективность. Для выяснения причин такого поведения пены предприняты исследования влияния концентрации ПК на термическую устойчивость пены и на толщину пенного слоя, при которой достигается полное тушение пламени.

Характер взаимодействия смешанных растворителей с пеной, содержащей полимерное пленкообразующее вещество, определяется физико-химическими свойствами разделительной пленки, которая образуется на межфазной границе при разрушении первых порций пены. В дальнейшем разделительная пленка упрочняется за счет выпадения полимерного соединения, коагулирующего в водно-органических смесях.

Сложность процесса формирования разделительной пленки позволяет провести лишь приближенное рассмотрение характера взаимодействия этих пен с органическими растворителями. Для обеспечения устойчивости пены на агрессивном растворителе разделительная пленка должна обладать малой проницаемостью для молекул органического соединения. Кроме того, она должна быть достаточно эластичной и прочной, чтобы выдерживать местные напряжения, а также внешние возмущения и касательные напряжения, возникающие при движении жидкости-подложки. Пленка должна быть также сплошной и однородной.

Увеличение доли полимерного компонента в рабочем растворе приводит к повышению вязкости водного раствора в пленках и пены в целом.

Экспериментально установлено, что термическая устойчивость пены растет пропорционально концентрации полимерного компонента. Результаты экспериментальных измерений представлены на рис. 2.

Термическая устойчивость пены является величиной, обратной удельной скорости разрушения пены и2-.

и = Рх/С, (1)

где С — концентрация полимера, %;

Рх - 1/Р;

р = (1/иг1)/Сь (2)

иг1 — удельная скорость термического разрушения пены при концентрации С1, кг/(м2-с).

В исследованном диапазоне концентраций зависимость термической устойчивости V от концентрации удовлетворительно описывается линейной зависимостью (см. рис. 2).

V = рС. (3)

Параметр Р зависит от природы полимера, фтор-содержащих компонентов, молекулярной массы спирта и его доли в смесевом топливе.

Экспериментальные исследования зависимости средней толщины пенного слоя после тушения пламени от содержания полимерного компонента показали, что по мере роста доли полимера средняя толщина пенного слоя увеличивается. Результаты экспериментальных измерений представлены на рис. 3. Так же, как и в случае термической стабильности, средняя толщина пенного слоя к линейно возрастает с концентрацией полимера С в рабочем

растворе. Эту зависимость можно представить эмпирической формулой

Н = к0 + аС,

(4)

где Н0 — минимальная толщина пенного слоя, м; а = Н1/С1;

Н1 — средняя толщина пенного слоя при концентрации полимера С1, м.

Ниже представлено уравнение материального баланса пены, включающее контактное поверхностное, контактное боковое и термическое разрушение пены. При этом учитывается зависимость удельной скорости термического разрушения пены от степени покрытия ею поверхности ПК [3, 4]:

ц ёт = Ц, (1 - 9)95о ёт + икБъ ёт + + и^Э ёт + рН^ёЭ,

где ц — расход пены, кг/с; т — время, с;

(5)

и0 — удельная скорость термического разрушения пены, кг/(м2-с);

Э — степень покрытия поверхности горючей

жидкости пеной; Э = /Б0;

Б0, Бг — площадь поверхности соответственно 1 2 горючего и пены, м2;

8

ь'

площадь свободной поверхности горючего, не покрытого пеной, м2; ик—удельная контактная скорость разрушения пены, кг/(м2-с); р — плотность пены, кг/м3; Н — средняя толщина пенного слоя, м. В результате решения дифференциального уравнения (5) с учетом граничных условий

т = 0, Э = 0; т = тт, Э =1

можно получить зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены:

рН

4 4Ц 0С " в)

arctg

ик + Ц

0

.44и0(3 - В).

где

В = икБь /Б0 + ц/4 + ик /2 + и\ /4Ц.

(6)

(7)

Для упрощения процедуры количественного анализа выражение (6) преобразовали, представив его первым членом ряда Маклорена. При этом относительная погрешность расчета для времен тушения не более 2 мин составит 15 %:

тт = рН(ик + и0)/(4и0(/- В)). (8)

Если постепенно снижать интенсивность подачи пены, то возникнет ситуация, когда расчетное время тушения станет бесконечно большим, т. е. пламя практически не будет потушено. Эта интенсивность называется критической, а соответствующее усло-

1 2 3 4 5 6 7 8 Концентрация, % об.

Рис. 3. Влияние доли полимерного компонента из композиций Г-ЛЯС на среднюю толщину пенного слоя после тушения смеси гептан (85 %) - изопропанол (15 %) при различной интенсивности подачи пены: 1 — 0,1 кг/(м2-с); 2 — 0,08 кг/(м2-с); 3 — 0,05 кг/(м2-с)

вие возникает, если подкоренное выражение в знаменателе формулы (8) становится равным нулю:

43- и = 0.

(9)

Критическую интенсивность определяли из эксперимента как среднее арифметическое двух интен-сивностей, из которых при меньшей потушить пламя за 300 с не удается, а при большей время тушения менее 300 с. Причем разница этих интенсивно-стей (шаг эксперимента) составляла 0,005 кг/(м2-с).

Сопоставление эффективности пенообразователей проводили по оптимальной и критической интенсивности тушения, а также по удельным затратам пенообразователя на тушение единицы площади поверхности. Указанные величины определяли на основе анализа диаграммы зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены.

Принято, что интенсивность подачи пены является оптимальной, если она обеспечивает тушение с минимальными удельными затратами пенообразователя. Следовательно, критерием оптимальности процесса здесь принят минимум удельных затрат пенообразователя, затраченного на тушение:

где тт

ц = т/Б0 = 3 тт,

время тушения, с; площадь поверхности горючего, м2

(10)

2

т — масса пены, затраченной на тушение, кг. Экспериментально полученные кривые, отображающие зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены, имеют традиционный вид гипербол (см. рис. 1), левая часть которых резко под-

т т =

1а"

0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

О

Л

\\

лД

1

1 п ' опт

2 4 6 8 10

Концентрация пенообразователя, % масс.

Рис. 4. Зависимость оптимальной (/опт) и критической (/кр) интенсивности подачи пены, полученной из пенообразователя ФС-600, от концентрации рабочего раствора при тушении смесевого горючего (80 % бензин и 20 % ИПС)

я

и

и

К

I £

а

«

Я н

15,0 12,5 10,0 7,5 5,0

I 2,5 №

Концентрация ИПС в бензине: • 5% □ 15%

у

ч

0 2,5 5,0 7,5 10,0

Концентрация пенообразователя, % масс.

Рис. 5. Зависимость минимального удельного расхода пены от концентрации пенообразователя с полимерным компонентом при тушении пламени смесевого топлива бензин - изопропиловый спирт пенообразователем ФС-600

нимается в область больших времен при определенной интенсивности подачи пены. Эта интенсивность называется критической, поскольку при этом тушение может произойти только теоретически и за бесконечно большой отрезок времени. Здесь скорость

разрушения пены практически равна скорости ее подачи. По мере повышения интенсивности подачи пены время тушения пламени сокращается, но, достигнув определенной величины, она остается далее практически неизменной. Это объясняется, с одной стороны, низкой сдвиговой прочностью пенной структуры, а с другой — высокой вязкостью пены. При сильном нажиме на слой пены происходит движение массы вверх, а не вперед. При высокой интенсивности увеличивается средняя толщина слоя пены, т. е. часть пены расходуется бесполезно. Пена, вместо того чтобы растекаться вперед, начинает резко увеличивать свою толщину в месте ее подачи.

Подставив выражение для и0(и0 — ) (1) и к из формулы (4) в формулу (8), получим.

где

Тт = р(к0 + аС) (ик + Р1/С)/4(р1/С)(/- В), (11)

В - икБь/Я + р1/4С + ик/2 + и2 С/рь (12)

Анализ соотношения (11) показывает, что зависимость времени тушения от концентрации полимерного компонента проходит через минимум, положение которого определяет оптимальное содержание полимера в рабочем растворе пенообразователя. На рис. 4 показано влияние концентрации полимерного пенообразователя на критическую и оптимальную интенсивность подачи пены при тушении пламени различными пенообразователями. Экстремальная зависимость получена также для минимального удельного расхода пены (рис. 5).

В формуле (12) параметр В является критической интенсивностью подачи пены, поскольку при I = В время тушения стремится к бесконечности. Следовательно, критическая интенсивность зависит от содержания полимерного компонента в соответствии с формулой (12).

Для использования формулы (11) необходимо из другого эксперимента определить коэффициенты пропорциональности а и Р, удельную скорость контактного разрушения пены Пк, минимальную толщину пенного слоя к0.

Кроме того, следует ввести предположение о соотношении площади боковой поверхности пенного потока и площади поверхности тушения горючей жидкости. Если первые четыре параметра можно определить экспериментально, то данное соотношение рассчитывали из предположения о среднем размере порции пены, на которую разбивается всплывающий поток пены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ryderman Anders. Testing of foam as a fire extinguishing medium for polar solvent and petroleum fires (Испытания пены в качестве огнетушащего агента для полярных растворителей и нефтепродуктов) // FoU-Brand. — 1981-1982. — Р. 12-16.

2. Ferroni G., Lev Y. Test into combustibility of fluoroprotein foams with alcohol/petrol blends (Тушение спиртобензиновых смесей фторированными пенами) // Fire Prev. — 1983. — No. 159. — P. 21-26.

3. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П. Тушение пожаров нефтей и нефтепродуктов подачей пены в слой горючего // Транспорт и хранение нефтепродуктов : сб. статей. — ЦНИИ Нефте-химпрома, 1996. — № 8-9. — С. 5-9.

4. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П., Воевода С. С., Шароварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М. : Пожнаука, 2006.

Материал поступил в редакцию 22 марта 2011 г.

Электронный адрес авторов: [email protected].

А.Н. ЧЛЕНОВ, Т.А, БУЦЫНСКАЯ, И.Г. ДРОВНИКОВА. —4.1.- 316 с. В.П. БАБУРОВ, В.В. БАБУРИН, В.И. ФОМИН. 300 С.

ВучеЕнд-справачнон пособии рассиопчмы ойщче волдеы л«троени* си(«и длиной сигланиэачии, при-яедечы сведении сю оснавиыи водах технических средств, составляющих систему: кэввщагселих, лцнеинв-кзнтрольнш прибора^ систЕмах передачи кзилший, оповещатьч*1* и бгтки питан на. Рассиотреии пиречен-ное СОСТйнн к* ркИиа í радст s охри н volt (м Гнал Юэцки н Т-и чденцич efO paiB Л»,

Большое iHunaHJ" уделена iorpociH проектирования систем охранной Сигнализации, TpetkraiHHaи ло нч лбн-■лшу н Твнкчиквй не плуапци». FjCíJtnrpCHU особенности пришчени* срсдс го СиГнаЛлМцхн » лаклто- к «íuhooiiatHbjj JOHÍ*.

Книга п(№внмнач?на дли грактнч<хких рлбстми*6в п области СйП«к6емп4СЖ№н и пОлЕгбшь иелОдЬМвана híH уч^кое пособие д-_н подготовки и посышенк* кылифннацчч «гкцизлчяки 40о(ит<т*ук>щ*го пр^нл*.

WEB-САЙТ; www,firepress.ru

ЭЛ. ПОЧТА;

mal1iiflrepresi.ru; IzdaLpozhnauka © maH.ru

Телефон:

(435) 228-09-03

Тел./факс;

(435) 737-É5-74