Влияние факторов пожара на огнетушащую эффективность пленкообразующих пенообразователей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

С. С. ВОЕВОДА, д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры общей

и специальной химии Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры общей

и специальной химии Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

Д. Л. БАСТРИКОВ, адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических

кадров Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

М. А. КРУТОВ, адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических

кадров Академии ГПС МЧС России, г. Москва, Россия

УДК 614.84.664

ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ПОЖАРА НА ОГНЕТУШАЩУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИХ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Рассмотрен механизм тушения нефтепродуктов специальными пенообразователями. Представлена математическая модель термического разрушения пены от контактного воздействия пламени. Доказано преимущество пены, получаемой из специальных пенообразователей, по сравнению с углеводородными пенообразователями.

Ключевые слова: горючее; тушение; пленкообразующий пенообразователь.

Основная отличительная особенность механизма тушения смесевых топлив пенообразователями с полимерным компонентом связана с тем, что при соприкосновении с горючим пена разрушается и формирует на поверхности толстый полимерный слой. В дальнейшем пена продвигается по полимерному слою, который предотвращает непосредственный контакт пены с агрессивным растворителем [1].

Для тушения аварийного розлива нефтепродукта эффективнее и безопаснее использовать низкократную пленкообразующую пену на основе фторсин-тетического или фторпротеинового концентрата [2].

Тушение пожара нефтепродуктов в резервуаре сопровождается накоплением и разрушением пены. Количественно этот процесс может быть описан уравнением материального баланса, представляющим собой сумму соответствующих приращений:

dV =dV„ + dVn.

(1)

где V ¥н, ¥р — объем пены, соответственно поданной, накопленной и разрушенной. Для анализа конкретных моделей процесса тушения необходимо определиться с причинами разрушения пены и получить в явном виде выражение для расчета удельной скорости разрушения. Выделим наиболее существенные факторы, приводящие к разрушению пены, и обозначим соответствующие им удельные скорости разрушения пены:

• термическое воздействие факела пламени — ит;

• контактное взаимодействие пены с горючей жидкостью (в том числе от нагретой поверхности)

— и;

• разрушение пены парами горючей жидкости (сорбционное разрушение) — ис;

• гидростатический эффект самопроизвольного разрушения пены — ик.

Итак, удельная скорость разрушения пены является суммой составляющих:

Uf = UT + U„ + Uc + Uh.

(2)

Исходя из анализа различных моделей тушения конкретных объектов и горючих жидкостей вклад отдельных составляющих может быть либо наиболее существенным, либо пренебрежительно малым. Например, при тушении бензина Пт >> ик + ис + Пк.

Анализ моделей может быть существенно осложнен изменением этих параметров в процессе ликвидации горения. Так, скорость термического распада пены снижается по мере покрытия пеной горящей поверхности, а скорость гидростатического разрушения пены возрастает с увеличением ее высоты. Удельные скорости контактного и сорбционного разрушения пены остаются практически постоянными, если концентрация горючей жидкости в процессе тушения существенно не уменьшается.

Рассмотрим процесс тушения пламени нефтепродукта, приняв при этом, что ит >> ик + ис + Пк. Запишем уравнение материального баланса:

q dx = p/h S0 © + UT So 0 dt,

где q — расход пены. кг/с;

Р/ — плотность пены. кг/м3; h — средняя высота слоя пены. м;

(3)

© Воевода С. С., Шароварников А. Ф., Бастриков Д. Л., Крутое М. А., 2012

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №10

63

50 — площадь поверхности горения до тушения, м2;

0 — степень покрытия поверхности пеной;

0 = У^;

8 — площадь поверхности, покрытой пеной, м2; ит — удельная скорость термического разрушения пены, кг/(м2-с).

Для решения уравнения материального баланса необходимо выявить зависимость удельной скорости термического разрушения пены от степени покрытия ею горящей поверхности. Тепловой поток от факела пламени изменяется от максимальной величины, соответствующей условиям стационарного горения жидкости, до очень малых значений по мере покрытия поверхности горения пеной. Удельная скорость термического разрушения пены также снижается в процессе тушения. Для количественной оценки этой зависимости примем в качестве наиболее очевидной причины разрушения пены потерю поверхностной активности молекулами пенообразователя в водном растворе, нагретом до температуры выше 60 °С. Иначе говоря, распад пены происходит в результате частичной десорбции молекул поверхностно-активного вещества (ПАВ) с границы раздела пленка - воздух. Предельная температура, при которой утрачивается поверхностная активность, определяется природой ПАВ. Так, экспериментальные измерения показали, что предельная температура десорбции ПАВ из пен, стабилизированных алкиларилсульфонатами (пенообразователи ПО-1Д, ПО-6К), составляет (65+5) °С, вторичными алкилсульфатами (ПО-3А, ИВА) — (80+5) °С, смесью ПАВ (Сампо) — (90+5) °С. Фторсинтетические пенообразователи "Форэтол" и "Универсальный" при нагревании их водного раствора до температуры кипения вовсе не утрачивают поверхностной активности, ноив этом случае пена разрушается в результате термического воздействия факела пламени, хотя и гораздо медленнее по сравнению с углеводородными пенообразователями.

Запишем выражение для удельной скорости термического разрушения пены в общем виде:

и1 = ?т /Ш), (4)

где qт — тепловой поток, Дж/(м2-с);

2 — коэффициент, учитывающий форму пузырьков пены;

Qв — удельная теплота испарения воды, Дж/кг. Поскольку для разрушения слоя пенных пузырьков достаточно обеспечить нагрев или испарение только наружного слоя пленок, то для этого потребуется тепла в 2-3 раза меньше, чем для нагрева всей массы воды в пене. Поэтому в формулу (4) введен в знаменатель коэффициент, учитывающий форму пенных пузырьков (в наружном слое в виде полу-

сфер), который определяется кратностью и дисперсностью пены и изменяется от 0,5 до 0,3.

Выразим поток тепла от факела пламени на единицу площади поверхности через удельную скорость выгорания и площадь поверхности горения:

qт= 0), (5)

где и0 — удельная скорость выгорания жидкости в

стационарном режиме до начала тушения;

Qг — удельная теплота испарения ГЖ, Дж/кг.

Подставив выражение (5) в формулу (4), получим количественную взаимосвязь удельной скорости термического разрушения пены со степенью покрытия поверхности горения:

ит= Ц,(1- 0), (6)

где

и0= UтQг /№). (7)

С учетом выражения (6) преобразуем уравнение материального баланса (3), предварительно разделив обе части его на исходную площадь поверхности жидкости 80, обозначив отношение q/S0 = J:

J ёт = р/к ё0 + Ц>(1 - 0) 0 ёт, (8)

где J — интенсивность подачи пены.

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

ёт = к ру ё0/[02 + (-и0) 0 + J ]. (9)

Проинтегрировав уравнение (9) от т = 0, 0 = 0 до т = тт и 0 = 1, получим выражение

т т = 2к р / / ^ - и 0)и 0 |аг^[и 0/ л[(4У^-и0)и0) -

- агс% (- - и») и0 ] | . (10)

Если постепенно снижать интенсивность подачи пены, то возникнет ситуация, при которой расчетное время тушения станет бесконечно большим, т. е. пламя практически не будет потушено. Такая интенсивность называется критической, а соответствующее условие возникает, если подкоренное выражение в знаменателе (4J- и0) = 0. Критическую интенсивность подачи пены (с учетом формулы (7)) можно представить в виде:

Jкр = и 0/4 = и т Q г/(4 zQв). (11)

Для удобства анализа модели тушения выражения тригонометрических функций представим первыми членами соответствующих степенных рядов. При этом погрешность определения времени тушения не превысит 15 %:

т т =р/к/( J - J кр). (12)

Выражение (12) позволяет проводить анализ результатов экспериментальных исследований, полу-

64

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №10

ченных в диапазоне интенсивностей, соизмеримых с /кр. Если представить результаты в координатах 1/т = /(I), то экстраполяцией линейной зависимости можно определить критическую интенсивность в соответствии с формулой

-1 т = I/ (Р гн) + I к^(р гн).

(13)

Представим среднюю толщину пенного слоя в виде полусуммы толщин слоя пены в месте ее падения Нд и минимального тушащего (изолирующего) слоя Но. Причем Нд = I, а к0 — величина постоянная, определяемая природой пенообразователя, дисперсностью и кратностью пены. Параметр Р определяется следующим отношением:

Р = Но/1кр. (14)

Тогда

Н = 12 (Но + Нд) = 12 (Но +РI). (15)

Подставив выражение (15) с учетом (14) в формулу (12), получим уравнение (16), описывающее зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены при любом значении I >> I :

Р /Но

т т= I;

I -I™

При I ^ да формула примет вид:

Т т ^ р /Но/(21 кр) = Т 0 5

(16)

(17)

где то — минимальное время тушения пламени.

Оптимизация процесса тушения пеной

Понятие оптимальности процесса тушения может иметь много различных толкований. В данном случае принимается, что процесс тушения считается оптимальным, если удается потушить пламя с минимальным расходом пенообразователя.

Для количественного определения оптимальной интенсивности необходимо отыскать минимум на кривой функциональной зависимости удельного расхода пенообразователя, обеспечивающего тушение, от интенсивности подачи пены.

Запишем выражение для удельных затрат пенообразователя на тушение единицы площади горения: О = Iтт. С учетом выражений, связывающих время тушения и интенсивность подачи пены, определенные выше, получим:

Т оI ^кр + I)

О =

I -1

(18)

где То = Р/Но /(2 Лр).

Зависимость параметра О от I имеет минимум при I = Iопт (где Iопт — оптимальная интенсивность подачи пены), поэтому для определения оптимальной интенсивности подачи пены производную dО/d I приравняем к нулю:

40

d I

= То

I (I кр + I )

I - !„,

= о.

(19)

После дифференцирования и решения квадратного уравнения получим:

»Лит ^^Лф. (2о)

Подставив значение !опт в выражение (18), найдем минимальные удельные затраты пенообразователя на тушение пожара:

= 2,9р/Но. (21)

Формулы (2о) и (21) являются приближенными, поскольку получены на базе упрощенного соотношения (19), а не точного решения формулы (17).

Таким образом, при тушении нефтепродуктов наиболее существенным фактором, приводящим к разрушению пены, является термическое воздействие факела пламени. Предельная температура для углеводородных пенообразователей, при которой утрачивается поверхностная активность пены, определяется природой ПАВ и составляет от бо до 1оо °С. Однако фторсинтетические пенообразователи при нагревании их водных растворов до температуры кипения не утрачивают поверхностной активности, тем не менее пена в данном случае тоже разрушается в результате термического воздействия факела пламени, но гораздо медленнее по сравнению с углеводородными пенообразователями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шароварников А. Ф. Теоретические основы процесса получения противопожарной пены средней и высокой кратности. 1. Механизм пенообразования на сетках // Пожаровзрывобезопас-ность. — 1999. — Т. 8, № 2. — С. 41-48.

2. Шароварников А. Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. — М.: Знак, 2ооо.

3. Шароварников А. Ф., Молчанов С. П., Воевода С. С., Шароварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М. : Изд. дом "Калан", 2оо2. — 448 с.

Материал поступил в редакцию 25 июня 2012 г. Электронные адреса авторов: vss62@mail.ru; dlbastrikov@mail.ru; alyakrutik@mail.ru.

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №10

65