Физико-химические механизмы тушения пожаров огнетушащими средствами. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Б.Ч. Месхи, Л.Е. Пустовая

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ ОГНЕТУШАЩИМИ СРЕДСТВАМИ

Учебно-методическое пособие

Ростов-на-Дону ДГТУ

2019

1

УДК 614.841.12(075.8)

М53

Рецензент

кандидат технических наук, доцент химического факультета Е.М. Баян (ЮФУ, г. Ростов-на-Дону)

Месхи, Бесарион Чохоевич.

М53 Физико-химические механизмы тушения пожаров огнетушащими средствами : учеб.-метод. пособие / Б.Ч. Месхи, Л.Е. Пустовая ; Донской гос. техн. ун-т. – Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2019. – 71 с.

ISBN 978-5-7890-1694-7

Описаны физико-химические процессы горения, развития и тушения пожара различными современными огнетушащими средствами.

Предназначено для самостоятельной работы студентов дневной и заочной форм обучения специальности 20.05.01 Пожарная безопасность.

УДК 614.841.12(075.8)

Печатается по решению редакционно-издательского совета Донского государственного технического университета

2

Введение

Под пожарной безопасностью понимают состояние защищённости личности, имущества, общества и государства от пожаров. Обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [1].

Элементами системы обеспечения пожарной безопасности являются органы государственной власти, органы местного самоуправления, организации, крестьянские (фермерские) хозяйства и иные юридические лица независимо от их органи- зационно-правовых форм и форм собственности, граждане, принимающие участие в обеспечении пожарной безопасности в соответствии с законодательством Российской Федерации.

Достижению пожарной безопасности способствуют:

–нормативное правовое регулирование и осуществление государственных мер в области пожарной безопасности;

–создание пожарной охраны и организация её деятель-

ности;

–разработка и осуществление мер пожарной безопасно-

сти;

–реализация прав, обязанностей и ответственности в области пожарной безопасности;

–производство пожарно-технической продукции;

–выполнение работ и услуг в области пожарной безопасности;

–проведение противопожарной пропаганды и обучение населения мерам пожарной безопасности;

–информационное обеспечение в области пожарной безопасности;

–учёт пожаров и их последствий;

–осуществление государственного пожарного надзора (ГПН) и других контрольных функций по обеспечению пожарной безопасности;

3

–тушение пожаров и проведение аварийно-спасатель- ных работ (АСР);

–установление особого противопожарного режима;

–научно-техническое обеспечение пожарной безопасно-

сти;

–лицензирование деятельности в области пожарной безопасности и подтверждение соответствия продукции и услуг в области пожарной безопасности [1].

Основные требования предотвращения пожара на территории Российской Федерации определяются нормативными документами по противопожарной безопасности [2-10].

Анализ статистических данных [2] показывает, что основной причиной пожаров в России является неосторожное обращение с огнем. Для эффективной борьбы с пожарами необходимо надежно овладеть знаниями о физико-химических свойствах огнетушащих средств, что позволит грамотно их применять [2-17].

4

1. ОГНЕТУШАЩИЕ СРЕДСТВА И МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ.

НЕЙТРАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

1.1.Понятие «огнетушащие средства»

иих классификация

Огнетушащие средства (ОС) это различные вещества и материалы, с помощью которых можно непосредственно создавать условия прекращения горения.

Классификация ОС по агрегатному состоянию:

1)жидкие (вода, водные растворы и др.);

2)пенные ОС (ВМ и химическая пена);

3)порошковые составы (ПС);

4)сыпучие материалы (песок, земля, флюсы, специальные составы и др.).

Классификация ОС по механизму прекращения горения:

1. охлаждающие зону реакции или горящие вещества;

2. разбавляющие реагирующие вещества в зоне реакции горения;

3. химически тормозящие реакцию горения;

4. изолирующие реагирующие вещества от зоны горе-

ния.

Охлаждение зоны реакции (снижение температуры в зоне реакции) происходит всегда, во всех случаях, т.е. при любом механизме прекращения горения. А охлаждение горючих веществ целесообразно только в тех случаях, когда снижение их температуры до определенного уровня может привести к прекращению процесса горения. Это зависит от агрегатного состояния горючего материала. Охлаждение газообразных горящих веществ лишено практического смысла, так как горючие газы горят при любой начальной температуре, а охлаждение ЛВЖ, ГЖ и твердых горючих материалов при их диффу-

5

зионном (гомогенном) горении наиболее целесообразно, однако не имеет прямой связи с охлаждением зоны реакции, а влияет на него лишь косвенно, через другие параметры процесса горения. Оно ведет к снижению интенсивности или полному прекращению выхода горючих паров ЛВЖ, ГЖ или продуктов пиролиза, при горении ТГМ, в зону реакции, т.е. к обеднению зоны реакции газообразным горючим компонентом, к разбавлению зоны реакции окислителем (окружающим воздухом), продуктами горения, а далее – к снижению интенсивности реакций горения и интенсивности тепловыделения. Это в свою очередь вызывает снижение температуры в зоне реакции, т.е. приводит к охлаждению зоны реакции. Охлаждение горючих материалов совпадает с понятием тушения охлаждением зоны химических реакций горения лишь в частном случае гетерогенного горения твердых горючих веществ и материалов. Например, компактную струю воды надо подавать не в пламя (там она практически бесполезна), а на поверхность горючего материала.

Охлаждение факела пламени и горящего материала будет тем полнее, чем больше поверхность и время контакта охлаждающего вещества с газовой средой или с горючим материалом. Поэтому при возможности воду надо подавать в факел пламени или на горящую поверхность равномерно, т.е. более распыленной и непрерывно. Например, при тушении мощного газового или газонефтяного фонтана распыленные струи эффективнее, чем компактные. Но при этом необходимо учитывать следующее.

1. Ручными приемами подать тонкораспыленную воду в факел пламени практически невозможно без специальных средств защиты ствольщиков от теплового излучения. Для этого применяют специальные технические устройства типа АГВТ или самоходной установки, обеспечивающей дистанционную подачу воды прямо к устью скважины.

6

2. При подаче воды в зону горения степень дисперсности распыла капель и начальная скорость их полета должны быть максимальны, чтобы они могли достигнуть факела пламени. В противном случае мощные конвективные потоки восходящего воздуха и горячие продукты горения (при подаче воды сверху) приведут к тому, что тонкораспыленная вода будет уноситься или испаряться, не достигая зоны горения.

При выборе механизма прекращения горения важную роль играет исходное состояние горючего материала, вид и режим горения на пожаре. В зависимости от вида и режима горения, агрегатного состояния горючего вещества и других факторов механизм прекращения горения, реализуемый одним

итем же видом огнетушащего средства, может быть различен. Например, при тушении факела пламени газового фонтана и пожаров твердых горючих материалов с использованием порошковых огнетушащих средств. И наоборот, один и тот же механизм прекращения горения может осуществляться различными видами огнетушащих средств. Например, механизм прекращения горения изоляций с применением пенных и порошковых огнетушащих средств при тушении пожаров, связанных с горением ЛВЖ, ГЖ с открытой поверхности или компактных твердых горючих материалов. Поэтому априорно

иоднозначно относить то или иное огнетушащее средство к определенной группе по механизму прекращения горения без учета конкретных условий применения ОС нельзя. В зависимости от условий их применения, основной механизм прекращения горения данным ОС может изменяться.

Инаоборот, у различных огнетушащих средств механизм прекращения горения может быть одинаковым. Почти все огнетушащие средства, попадая в зону горения, действуют комплексно, одновременно по двум-трем и болee механизмам прекращения горения. Они охлаждают горючий материал, кроме того, охлаждают зону реакции, разбавляют реагирующие компоненты в ней и т.д. Но для каждого огнетушащего

7

средства существуют один-два основных механизма прекращения горения, которые являются доминирующими по сравнению с остальными, второстепенными, сопутствующими, побочными. Поэтому особенно важно наиболее четко выделить основной – доминирующий механизм. А уже по этому механизму прекращения горения относить то или иное огнетушащее средств к какой-либо группе, но при определенных условиях его применения.

Наиболее широко применяются огнетушащие средства, охлаждающие поверхность горящих веществ и материалов, и огнетушащие средства, изолирующие эти вещества и материалы от зоны горения. И то, и другое достигается методом подачи этих огнетушащих средств на поверхность горючего. В качестве огнетушащих средств в этом случае применяются жидкие, коллоидные, дисперсные системы и сыпучие твердые материалы. А в качестве объектов тушения выступают при этом преимущественно жидкие и твердые горючие материалы. Однако совокупный механизм прекращения горения более сложен. Наиболее простыми по механизму прекращения горения считаются нейтральные разбавители, применяемые преимущественно для тушения пламенного горения газов и паров горючих жидкостей. А наиболее однозначными по механизму прекращения горения считаются химически активные ингибиторы.

1.2. Механизм прекращения горения пламени нейтральными газами

Нейтральные газы, применяемые в пожаротушении (азот N2, углекислый газ CO2, водяной пар H2O, реже гелий He, аргон Ar и некоторые другие), относятся к веществам объемного действия. Их вводят непосредственно в объем смеси горючего газа с окислителем для предотвращения воспламенения (взрыва) или в объем зоны горения для тушения пламени. Предот-

8

вращение взрыва парогазовых смесей путем введения инертных или химически активных газообразных веществ называет-

ся флегматизацией.

Из курса теории горения известно, что в химическую реакцию вступают лишь те молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударения превышает энергетический барьер. Выделяемое при этом тепло передается соседним молекулам, увеличивая их энергию. Если она превышает энергию активации, эти молекулы также реагируют с образованием продуктов горения и выделением тепла, продолжая тем самым цепь последовательных превращений горючего и окислителя в продукты горения. Чем больше соударений активных реагирующих молекул, тем больше интенсивность тепловыделения и, соответственно, выше скорость химической реакции. Распространение пламени от источника зажигания по газовой смеси становится возможным при достижении скорости реакции некоторого минимального значения.

В газообразной смеси горючего с окислителем возможны три вида соударений молекул: горючее-горючее, окислительокислитель и горючее-окислитель. Очевидно, что эффективными, т.е. приводящими к распространению реакции, являются соударения только последнего вида. Изменение соотношения компонентов приводит к изменению числа эффективных соударений и, как следствие, скорости химической реакции. При снижении скорости реакции до определенного предела интенсивность тепловыделения становится недостаточной для распространения пламени в смеси.

Поэтому смесь горючих газов или паров с окислителем способна воспламеняться от источника зажигания, если концентрация горючего в ней соответствует области воспламене-

ния, т.е. Снкпв< Сг <Свкпв. Добавление третьего компонента, не способного вступать в реакцию ни с горючим, ни с окислите-

лем, уменьшает концентрацию молекул обоих в единице объема. В результате этого сокращается число эффективных со-

9

ударений молекул горючего и окислителя, уменьшается интенсивность выделения тепла внутри смеси q:

q kCn Cm e Eа

Г ОК RT ,

где q – низшая теплота сгорания горючего; k – константа скорости химической реакции; Сг и Сок – концентрация горючего и окислителя, соответственно; Еа – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; n и m – порядок реакции по горючему и окислителю соответственно; Т – температура.

При некоторой концентрации инертного в данных условиях разбавителя (флегматизатора) число эффективных соударений сокращается настолько, что выделяемого тепла становится недостаточно для распространения пламени на весь объем смеси.

Концентрационная область воспламенения при добавлении флегматизатора сужается, и при некоторой его концентрации верхний предел становится равным нижнему. Данная концентрация называется минимальной флегматизирующей Сmin

(рис. 1).

Рис. 1. Влияние флегматизатора на область воспламенения

Рассмотрим механизм снижения скорости реакций горения не изменением соотношения компонентов горючей смеси

10