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

температуры, значительно превышающей не только температуру самовоспламенения, но даже температуру вынужденного зажигания (т.е. до температуры выше 500-600ºС).

После прекращения пламенного горения над поверхностью горючего материала вновь создаются условия, достаточные для повторного воспламенения и продолжения горения. Поэтому условием полного и надежного прекращения горения этих материалов является не только прекращение пламенного горения над их поверхностью, но и охлаждение поверхности этих материалов и их прогретых поверхностных слоев до температуры ниже температуры начала выхода горючих летучих фракций или начала их пиролиза.

Процесс тушения представим таким образом, что на всю поверхность ТГМ равномерно наносится слой воды заданной толщины за достаточно короткий промежуток времени практически одновременно. А полное время тушения примем условно равным 10 с, что практически вполне осуществимо и хорошо подтверждается экспериментально в лабораторных условиях.

Предположим также, что нанесенный слой воды требуемой толщины не стекает с контролируемой поверхности (т.е. что вся поданная вода полностью участвует в процессе тушения).

Тогда задача сводится к определению (расчету) требуемой толщины слоя воды на поверхности ТГМ, необходимой для полного прекращения процесса горения. Для выбора схемы расчета рассмотрим некоторые основные механизмы прекращения горения при подаче воды на поверхность горящего материала. Как и в предшествующих случаях, пренебрежём: охлаждающим действием воды на зону пламени (на зону протекания химических реакций горения); экранирующим воздействием слоя воды на поверхности ТГМ, который в течение ка- кого-то времени будет находиться на ней и защищать ее от лучистого и конвективного тепловых потоков зоны горения; изолирующим эффектом воды, который она будет оказывать в

61

течение какого-то промежутка времени, впитываясь в поверхностный слой горючего материала до момента ее полного испарения, и некоторыми другими.

Остановимся лишь на доминирующем механизме – механизме прекращения горения охлаждением поверхностного слоя горящего материала водой, т.е. за счет нагревания ее до температуры кипения и ее испарения. Для простоты также не будем принимать в расчет и разбавляющий эффект паров воды в зоне пламенных реакций горения и охлаждающий эффект паров воды.

Задавшись такой моделью процесса горения и такой схемой тушения, можно приближенно рассчитать количество воды, необходимое для прекращения горения охлаждением ТГМ. Предположим, что горение прекратится в тот момент, когда температура верхнего, прогретого слоя горючего материала снизится ниже температуры выхода горючих летучих фракций. Тогда горючая смесь в зоне горения над поверхностью горящего образца обеднится, интенсивность тепловыделения уменьшится, температура во фронте пламени снизится до температуры потухания и горение прекратится. При этом прекратится не только пламенное, гомогенное горение, но и гетерогенное беспламенное горение ТГМ и поверхностного углеродного слоя.

Для определения требуемого количества воды на тушение ТГМ по механизму прекращения горения охлаждением составим баланс тепла на поверхности горящего материала

Qотвв Qотвдр . Количество тепла, выделяющееся в прогретом

слое и аккумулированное в поверхностном слое, можно подсчитать по уравнению

Qотв QТГМ QПИР QПЛ ,

где Qотв – общее количество тепла, которое следует отвести от ТГМ для прекращения процесса пламенного горения летучих веществ над поверхностью образца и гетерогенного горения в прогретом слое; Qтгм – количество тепла, запасенное в слое ТГМ, прогретом до

62

температуры выше температуры выхода горючих; Qпир – теплота экзотермических процессов пиролиза в указанном диапазоне температур за время тушения; Qпл – количество тепла, поступающее к поверхности горючего материала от пламени из зоны горения за время тушения.

Для расчета количества воды, требуемой для тушения пожара ТГМ по механизму прекращения горения охлаждением, в качестве горючего материала примем древесину. Тогда за температуру выхода горючих летучих фракций примем условно температуру начала пиролиза древесины – 200°С, максимальную температуру на поверхности горящей древесины – 700°С. Толщина прогретого слоя древесины δдр до температуры выше 200°С для термически толстых образцов составляет 1 см.

Предположим, что температура в прогретом слое древесины изменяется по линейному закону, от tдрм ах на поверхности

горения до tначпир в глубине образца. Удельную плотность абсо-

лютно сухой, частично пиролизованной древесины и ее теплоемкость определим по справочным таблицам, соответственно равными:

Ρдр~300 кг/м3; Сдр~1,47 кДж/(кг С).

Тогда количество тепла, запасенное в древесине, которое следует отвести от нее для прекращения процессов горения, определим по выражению:

После подстановки численных значений входящих величин получим:

Qдр Sдр 0.01 300 1.47 700 200 1100Sдр . 2

Или в расчете на 1 м2 горящей поверхности древесины:

Qдр 1100 кДж/м2.

63

В диапазоне температур 350-450°С экзотермика пиролиза древесины составляет величину 5-6 % QНР . Тогда наиболь-

шее количество тепла, которое может выделиться в результате пиролитических процессов в прогретом слое древесины за время ее тушения в расчете на единицу площади горения, будет равно:

Qпир 0,5m1 0,06QНР rT ,

где m1 – удельная массовая скорость выгорания древесины. Допустим, что удельная массовая скорость пиролиза (в

расчете на 1 м2 поверхности горения) равна массовой скорости выгорания древесины. А скорость выгорания за время тушения изменяется от своего наибольшего значения до нуля. Согласно многочисленным экспериментальным данным, удельная массовая скорость выгорания древесины на развитом

пожаре m1~0,01 кг/(м2 . с). Как известно, QНР древесины

~ 16800 кДж/кг, тогда после подстановки численных значений входящих величин получим:

0,5 0, 01 0, 06 16800 10 50 .

Известно, что одиночный деревянный образец не горит с горизонтальной поверхности без внешнего дополнительного радиационного теплового потока. Экспериментально установлено, что количество тепла, поступающего от факела пламени к поверхности древесины, составляет величину 6% QП , где

горения:

Qлуч = 91(кДж/м2).

Тогда суммарное количество тепла, которое следует отвести от древесины для её тушения по механизму прекращения горения охлаждением

Qотв Qдр QПИР QПЛ

64

в расчете на1 м2 поверхности горения, будет равно

Qотв 1100 50 91 1240 кДж/м2.

Количество тепла, которое будет отведено от горящего образца водой в процессе тушения, определим по формуле

QВ QН .В QПИР QИСП.В ,

где QН .В – тепло, затрачиваемое на нагревание воды до темпе-

ратуры кипения; QИСП.В – тепло, затрачиваемое на испарение воды.

QН .В mBCB tB SB B BCB tB ; QИСП.В mB rB SB B B rB ,

где rB – скрытая теплота парообразования воды (2270 кДж/кг). Для полного прекращения горения древесины должно выпол-

няться условие QВ < Qотв и, подставив выражения для QН .В и

QИСП.В, получим:

QОТВ SB B B (СВ tB rB ) .

Учитывая, что согласно принятым ранее условиям вода не стекает с горящей поверхности древесины и равномерным слоем лежит на ней, т.е. что SВ ~ Sдр , сократим эти члены и решим последнее уравнение относительно δ:

Приняв начальную температуру воды tн ~ 20°С, после подстановки получим:

1240 10 2 12.4 В 0.00475 дм

2616 2616

или окончательно:

В 0.5 мм,

т.е. требуемая расчетная толщина слоя воды, необходимая для тушения древесины, равна 0,5 мм, а критический удельный расход воды будет равен:

65

или

qуд=0,5 л/м2,

где Sдр – площадь тушения, равная 1 м2.

Однако столь малыми удельными расходами воды можно потушить пожар только при двух принятых ранее условиях: горящая поверхность расположена горизонтально; размеры поверхности относительно невелики.

На реальных пожарах древесина охлаждается не до температуры начала ее пиролиза, а до температуры воды, применяемой для тушения пожара. Это приводит к незначительному увеличению удельного расхода воды, до qвуд > 0,7 л/м2. Кроме того, вода подается до полного насыщения горючего материала водой. Это еще в 2-3 раза увеличивает удельный расход воды на тушение реального пожара, доводя qвуд до 2-2,5 л/м2. Но при этом резко возрастает надежность процесса тушения и исключается опасность повторного воспламенения. Наконец, на реальных пожарах удельный расход воды возрастает (в расчете на единицу площади пожара) пропорционально величине коэффициента поверхности горения КП. Так как на реальных пожарах КП ~ 1,5-2, то удельный расход воды на тушение пожара возрастает до 4-5 л/м2. Но тем не менее, с помощью этой величины можно рассчитать теоретически необходимый удельный расход воды на тушение реальных пожаров. Очевидно, что практический расход воды на тушение зависит от условий боевой обстановки, размеров площади пожара и ряда других осложняющих факторов. Но как показывает анализ статистических данных, величина удельного расхода воды на наиболее удачно потушенных пожарах вполне удовлетворительно описывается уравнением вида

\qвуд = f (FП),

66

которое для простейших пожаров в одноэтажных каменных зданиях I и II степени огнестойкости может быть записано в следующем виде:

qвуд = 0,5 FП,

где FП – площадь пожара, м2.

Вопросы для самоконтроля

1.Область применения воды как огнетушащего средства, достоинства и недостатки.

2.Каков механизм прекращения горения водой?

3.Опишите объемный метод тушения водой, эффективность применения распыленных и компактных струй для разных случаев.

4.Когда будет максимальный охлаждающий эффект тушения при подаче воды в факел пламени?

5.В каком случае будет наибольшее время контакта капли воды с факелом пламени? Поясните.

6.Каков механизм прекращения пламенного горения

водой?

7.Оцените теоретически удельные расходы воды и требуемые интенсивности ее подачи для эффективного тушения факела пламени. Можно ли полученные значения применять на практике или нужна коррекция?

8.Опишите механизм прекращения горения разбавлением зоны реакции парами воды при подаче ее в факел пламени.

9.Опишите механизм прекращения горения водой охлаждением горючих веществ и материалов.

10.Опишите механизм прекращения горения и удельные расходы воды при применении ее в качестве охлаждающего огнетушащего средства для тушения пожаров твердых горючих материалов.

67

Литература

1.Физико-химические основы развития и тушения пожара / Б.Ч. Месхи, Л.Е. Пустовая, В.Г. Лебеденко и др. – Ро- стов-на-Дону, 2013.

2.Пожарная безопасность: Энциклопедия. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007.

3.О пожарной безопасности: Федеральный закон от

21 декабря 1994 г. N 69-ФЗ.

4.Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федеральный закон от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ.

5.Абдурагимов И.М. Физико-химические основы развития и тушения пожаров / И.М. Абдурагимов, В.Ю. Говоров, В.Е. Макаров. – М.: Высшая инженерная пожарнотехническая школа МВД СССР, 1980. – 259 с.

6.Пожарная и аварийно-спасательная техника: справ. / В.В. Теребнев, А.О. Семенов, Ю.Н. Моисеев и др. – Екатеринбург: Калан, 2013.

7.Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ. – В 2 кн. / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. – М.: Химия, 1990.

8.Шувалов М.Г. Основы пожарного дела / М.Г. Шувалов. – М.: Стройиздат, 2003.

9.Теребнев В.В. Пожарная тактика. Основы тушения пожаров: учеб. пособие / В.В. Теребнев, А.В. Подгрушный; под общ. ред. М.М. Верзилина. – М., 2012.

10.Дьяконов Н.М. Тактика тушения пожаров на объектах / Н.М. Дьяконов. – М.: Воениздат, 2004.

11.Теребнев В.В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений / В.В. Теребнев. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2004.

12.Теребнев В.В. Пожарная тактика / В.В. Теребнев, А.В. Подгрушный. – Екатеринбург: Калан, 2008.

68

13.Баян Е.М. Производство наноматериалов: потенциальные риски и пути их снижения / Е.М. Баян, Т.Г. Лупейко, Н.К. Домницкий // Технологии гражданской безопасности. – 2015. – Т.12. – №2 (44). – С. 74-78.

14.Пустовая Л.Е. Методы и приборы контроля окружающей среды, экологический мониторинг: учеб. пособие / Л.Е. Пустовая, Б.Ч. Месхи; Донской гос. техн. ун-т. – Ростов- на-Дону, 2008. – С.218.

15.Баян Е.М. Экологическая безопасность при использовании нанотехнологий / Е.М. Баян. – Ростов-на-Дону, 2012.

16.Месхи Б.Ч. Надзор и контроль в сфере экологической безопасности / Б.Ч. Месхи, Л.Е. Пустовая, Е.М. Баян. – Ростов-на-Дону, 2017.

17.Месхи Б.Ч. Современные проблемы безопасности / Б.Ч., Месхи, Л.Е. Пустовая, И.В. Богданова и др.; Донской гос. техн. ун-т. – Ростов-на-Дону, 2011.

69

Содержание

Введение ……………………………………………………….. 3

1.ОГНЕТУШАЩИЕ СРЕДСТВА И МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ. НЕЙТРАЛЬНЫЕ ГАЗЫ .. 5

1.1.Понятие «огнетушащие средства» и их классифи-

кация ………………………………………………... 5

1.2.Механизм прекращения горения пламени нейтральными газами ……………………………... 8

2.ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ИНГИБИТОРЫ ………….. 16

2.1.Механизмы прекращения горения химически ак-

тивными ингибиторами …………………………… 16

2.2.Область применения нейтральных газов и химически активных ингибиторов ……………………... 18

3.ПЕНЫ КАК ОГНЕТУШАЩИЕ СРЕДСТВА …………... 23

3.1.Свойства пены ……………………………………... 23

3.2.Механизм прекращения горения пеной ………….. 32

3.3. Применение пен …………………………………… 35

4.ПОРОШКОВЫЕ ОГНЕТУШАЩИЕ СРЕДСТВА ……... 39

5. ВОДА КАК ОГНЕТУШАЩЕЕ СРЕДСТВО …………… 49

Литература ……………………………………………………... 68

70