 |
Параметры процесса тушения
|
|
|
|
К основным параметрам процесса тушения относятся:
1) интенсивность подачи огнетушащего вещества J;
2) удельный расход огнетушащего вещества q уд;
3) время тушения tт;
4) секундный расход огнетушащего вещества g о.в;
5) показатель эффективности тушения Пэ.т.
Рассмотрим подробно каждый из представленных параметров.
Интенсивность подачи – это количество огнетушащего вещества, подаваемого в единицу времени на единицу площади пожара или объема помещения. В зависимости от вида огнетушащего вещества и способа тушения интенсивность подачи может иметь размерности: л/(м2×с), кг/(м2×с), л/(м3×с), кг/(м3×с).
Интенсивность подачи определяет интенсивность отвода тепла от зоны горения. Чем больше интенсивность отвода тепла превалирует над интенсивностью тепловыделения в зоне горения, тем быстрее прекращается процесс горения и тем меньше время тушения. Если интенсивности отвода и выделения тепла равны, время тушения равно бесконечности. На практике это означает, что процесс тушения будет продолжаться до тех пор, пока не выгорит все горючее или не кончится запас огнетушащего вещества. Такая интенсивность подачи называется критической J кр.
Фактическая интенсивность находится как отношение суммарного секундного расхода всех стволов или приборов подачи к площади пожара:
(14)
где g – секундный расход ствола или прибора подачи огнетушащего вещества.
Удельный расход – это количество огнетушащего вещества, поданное за время тушения в расчете на единицу площади пожара или объема помещения. Соответственно, этот параметр может иметь размерности: л/м2, кг/м2, л/м3, кг/м3.
|
|
|
Удельный расход зависит от интенсивности и времени подачи огнетушащего вещества:
q уд= J tт. (15)
Время тушения – это период от начала подачи огнетушащего вещества до прекращения горения во всех его видах. Измеряют его в с, мин, ч. Время тушения следует отличать от времени ликвидации пожара, принятого в пожарной тактике, так как после тушения пожарные подразделения могут продолжать заниматься действиями, связанными с прекращением горения (вскрытие и разборка конструкций, проливка скрытых очагов). Но так как физически процесс горения на этот момент времени еще продолжается, значит, продолжается и тушение – в форме подачи огнетушащих веществ.
Секундный расход – это количество огнетушащего вещества, подаваемое приборами подачи за одну секунду. В пожарной тактике расход – основной параметр подачи огнетушащих веществ. Измеряют его в л/с, кг/с, м3/с.
Требуемый для тушения пожара секундный расход может быть определен, если известны требуемая интенсивность тушения для данного типа объекта J тр и площадь тушения S т (часть площади пожара, на которую пожарные подразделения могут обеспечить подачу огнетушащих веществ):
g о.в= J тр S т. (16)
Это связано с тем, что пожарные подразделения далеко не всегда могут обеспечить подачу огнетушащего вещества сразу на всю площадь пожара – их возможности ограничиваются конструктивно-планировочными решениями объекта, дальностью подачи огнетушащего вещества из стволов и т. п.
Секундный расход, разделенный на имеющуюся площадь пожара (тушения), дает фактическую интенсивность подачи J:
J = g о.в/ S т. (17)
Если J оказалась меньше J кр, прекращение горения не происходит, площадь пожара растет, а фактическая интенсивность падает. Секундный расход необходимо увеличивать введением дополнительных сил и средств. При увеличении фактической интенсивности подачи до J кр наступает локализация пожара – прекращается рост площади пожара. Для прекращения горения на данной площади необходимо еще больше увеличивать секундный расход. Время тушения на данной площади будет зависеть от фактической интенсивности подачи в соответствии с «кривой тушения» (см. рисунок 14).
|
|
|
Минимум зависимости q уд = f (J) обусловлен характером «кривой тушения». Из рис. 14, а следует, что на левом участке кривой, до резкого перегиба, незначительное увеличение интенсивности подачи относительно J крприводит к резкому уменьшению времени тушения. Удельный расход также снижается. После перегиба время тушения с ростом интенсивности подачи изменяется мало. При этом, чем больше интенсивность подачи, тем меньше зависит от нее время тушения. Соответственно, увеличение интенсивности подачи на этом участке кривой приводит к росту удельного расхода (рисунок 14, б). Поскольку удельный расход характеризует затраты огнетушащего вещества, интенсивность подачи, при которой он минимален, считается оптимальной J opt для прекращения горения.
Показатель эффективности тушения – это величина, характеризующая качество работы комплекса «огнетушащее вещество – способ подачи».
Под эффективностью в самом общем смысле понимают отношение результатов к затратам. В процессе тушения пожара результатом будет являться потушенная площадь, а затратами будут являться количество израсходованного огнетушащего вещества и время подачи (время работы техники, людей).
Тогда Пэ.т будет равен:
(18)
где S п – площадь пожара;
G о.в – суммарное количество огнетушащего вещества, израсходованного за время τт.
Количество поданного огнетушащего вещества можно определить через интенсивность подачи и время по формуле
G о.в = JS пτт. (19)
Если подставить это выражение в формулу (29), получим более удобное для анализа и расчетов выражение:
(20)
Таким образом, показатель эффективности тушения имеет размерности: м2/(л×с), м2/(кг×с), т. е. – это скорость тушения одного квадратного метра площади пожара единицей количества подаваемого огнетушащего вещества.
|
|
|
Основные физико-химические свойства воды как огнетушащего вещества
Вода – это древнейшее и до сих пор самое распространенное вещество, используемое для тушения пожаров. С помощью воды можно выполнить условия, необходимые и достаточные для прекращения горения веществ, находящихся в трех физических состояниях: газообразном, жидком и твердом. На основе воды получают целый класс огнетушащих веществ – противопожарные пены.
Значения основных теплофизических параметров воды приведены ниже:
температура кипения Т кип = 100 °С;
температура замерзания Т зам = 0 °С;
плотность ρ = 1000 кг/м3;
удельная теплоемкость воды с = 4,19 кДж/(кг·К) в интервале 0–100 °С;
коэффициент теплопроводности при 20 °С λ = 0,6 Вт/(м·К);
теплота парообразования при 100 °С r в = 2260 кДж/кг;
средняя удельная теплоемкость водяного пара = 2,14 кДж/(кг×К)
в интервале 100–1200 °С;
удельная теплоемкость льда с л = 2,1 кДж/(кг∙К);
теплота плавления льда – 334 кДж/кг;
поверхностное натяжение воды при 20 °С σ = 73,0 мН/м;
удельная электропроводность воды при 20 °С Ω = 4,7·106 Ом−1·м−1.
Следует иметь в виду, что все перечисленные параметры не являются физическими константами. В частности, все они в той или иной степени зависят от температуры. Так, при повышении температуры от 0 до 100 °С коэффициент поверхностного натяжения воды уменьшается примерно на 23 %, удельная теплопроводность возрастает на 18 %. При повышении температуры от 0 до 50 °С удельная электропроводность воды возрастает почти в 2 раза. Однако при проведении инженерных расчетов, в большинстве случаев, их зависимостью от различных факторов пренебрегают.
Физическое взаимодействие воды с твердыми материалами и нерастворимыми в ней жидкостями проявляется в ее способности смачивать и растекаться по поверхности. Характер смачивания зависит от соотношения сил притяжения молекул жидкости к поверхности и сил взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. Под действием сил взаимного притяжения молекулы жидкости стремятся опуститься в нижележащие слои. Для их перевода на поверхность требуется затратить работу, которая (в расчете на единицу площади) называется поверхностным натяжением. Чем выше поверхностное натяжение жидкости, тем хуже ее смачивающая способность, но выше текучесть. Последнее объясняется стремлением капли принять сферическую форму. В результате этого площадь контакта S конт с твердой поверхностью капли жидкости, имеющей высокое поверхностное натяжение, очень мала, и капля легко с нее скатывается.
|
|
|
Ниже приведены значения коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей (в мН/м), граничащая среда – воздух:
| вода ацетон н-гексан керосин нефть оливковое масло сероуглерод | 72,8 23,7 18,4 24,0 30,0 34,0 30,5 |
Как видно из этих данных, вода обладает высоким поверхностным натяжением, что определяет ее плохую смачивающую способность для многих твердых материалов. Чистая вода (без специальных добавок) на поверхности нерастворимых в ней горючих жидкостей также не способна растекаться и образовывать пленку. Ее капли стягиваются в сферы и за счет более высокой плотности тонут.
При попадании на пористую поверхность, например древесины или ее обугленного слоя, вода одновременно впитывается в поры материала и растекается. Чем больше скорость и глубина смачивания, тем более эффективно тушение водой. Так же, как и на гладкой поверхности, условием капиллярного смачивания является θ < 90°.
При отсутствии смачивания (θ > 90°) прониканию воды в капилляр препятствует давление сжимаемого в нем газа р 1, которое превышает атмосферное p атм (рисунок 17). В результате этого вода в материал не впитывается и стекает с его поверхности, практически не участвуя в тушении.
θ > 90°
θ< 90°
р 1
р 2
р 1> р атм
р 2< р атм
Рисунок 17 - Схема взаимодействия капли воды с пористой поверхностью
Если θ < 90°, силы притяжения капли к поверхности материала больше, чем силы собственного межмолекулярного взаимодействия, капиллярное давление р 2 меньше атмосферного и капля втягивается внутрь капилляра. Чем больше перепад давлений, тем быстрее и глубже жидкость проникает в толщу материала. При этом капиллярное давление
р 2 = 2σ / R, (21)
где σ – поверхностное натяжение жидкости;
R – радиус кривизны мениска.
Следовательно, уменьшение поверхностного натяжения воды увеличивает глубину пропитки и, соответственно, площадь ее контакта с поверхностью. Это повышает тушащую эффективность воды.
|
|
|
Механизм огнетушащего действия воды
Согласно тепловой теории, пламенное горение прекращается, когда температура пламени снижается до температуры потухания. Вода является веществом преимущественно охлаждающего действия.
При этом вода в зависимости от размера капель может:
– полностью испаряться в пламени, охлаждая только объем зоны горения;
– частично испаряться в пламени, охлаждая и объем зоны горения, и поверхность горючего;
– практически не взаимодействовать с пламенем, оказывая чисто поверхностное действие.
На практике применяются два основных способа подачи огнетушащих веществ: в объем зоны горения (тушение «по объему») и на поверхность горючего (тушение «по поверхности»).
При объемном тушении вода оказывает охлаждающее действие на зону горения, которое складывается из трех составляющих: теплоотвода на нагрев воды до Т кип; затрат тепла пламени на испарение воды; отвода тепла образовавшимся паром, который нагревается до температуры потухания. Таким образом, при объемном тушении теоретический охлаждающий эффект воды Q охл, кДж/л, находится по формуле
(22)
где Т пот – температура потухания, °С.
К охлаждающему действию воды в этом случае добавляется разбавляющий эффект водяного пара – при полном ее испарении из 1 л образуется 1 720 л пара. В результате этого в газовой фазе уменьшается концентрация горючего и окислителя, что, в соответствии с тепловой теорией потухания, ведет к снижению температуры пламени.
При охлаждении поверхности теоретический теплоотвод определяется выражением
(23)
При Т 0 = 20 °С, Q охл = 4,2(100 − 20) + 2260 = 2596 кДж/л. В расчетах принимается Q охл = 2600 кДж/л.
Соотношение процессов объемного и поверхностного тушения зависит от размеров капель воды.
Рассмотрим процесс испарения капли воды в факеле пламени при следующих допущениях. Будем считать, что капля имеет сферическую форму, сначала нагревается до температуры кипения, а затем полностью испаряется. При этом размеры капли во время нагрева не изменяются. Переменной величиной на этой стадии является температура капли. Во время испарения, наоборот, – температура является постоянной, а радиус капли уменьшается до 0. Изменением теплопроводности при образовании вокруг капли пленки пара пренебрегаем.
Из литературы[] известна зависимость для оценки времени существования капли в зоне горения:
(24)
Оценим время жизни капли диаметром 100 мкм при следующих исходных данных: Т ф = 900 °С; Т к = 100 °С; Т 0 = 20 °С; ρв = 1000 кг/м3; с в =
= 4,2·103 Дж/(кг·град); λ900 ºС = 0,10 Вт/(м2·град); r в = 2,26 · 106 Дж/кг.
Начальный радиус данной капли r 0 = 50 мкм = 5·10−5м (диаметр 100 мкм).
Подставив эти данные в формулу (35), получим:
Результаты расчета времени жизни капель разного диаметра при тех же исходных данных приведены на рисунок 18.
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
Время жизни капли, с
Диаметр капли, мм
0,2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Рисунок 18 - Зависимость времени существования капли воды в факеле пламени
от ее диаметра
Размер капли должен подбираться в зависимости от решаемой задачи. Так, при объемном тушении капля должна иметь запас энергии, достаточный для преодоления аэродинамического сопротивления потока газа, и полностью испариться в зоне горения. В случае тушения конденсированного горючего капля должна успеть пройти через факел пламени и испариться на поверхности твердого материала или в прогретом слое жидкости.
Согласно существующей классификации, струя воды, в которой преобладают капли диаметром до 100 мкм (0,1 мм), считается тонкораспыленной. Струя, в которой основная масса капель имеет диаметр более 100 мкм, считается распыленной.
Время, за которое капля воды пролетит расстояние от распылителя до поверхности горючего, зависит от ее начальной скорости. Допустим, расстояние до поверхности составляет 2 м; скорость истечения воды из сопла варьируется от 15 до 25 м/с. Если пренебречь уменьшением размера капли в результате испарения и сопротивлением встречного потока газа, то минимальное время пребывания в пламени составит 0,08–0,13 с.
Из рассмотренного примера следует, что капли диаметром менее 150 мкм живут менее 0,04 с и полностью испаряются в зоне горения. Более крупные капли испаряются частично и успевают достичь поверхности. Капли диаметром более 3 мм практически не испаряются в зоне горения.
Поведение капли воды на поверхности горючего зависит от природы этой поверхности и ее температуры. На поверхности жидкости капли воды не задерживаются. За счет более высокой плотности они проваливаются в слой горючего, быстро теряют свою начальную скорость и падают с постоянной скоростью, которая зависит от вязкости среды и радиуса капли.
Если температура прогретого слоя жидкости выше температуры кипения воды (порядка 110–140 °С), вокруг капли образуется пленка пара, резко уменьшающая теплоотдачу и, соответственно, скорость испарения. В этом случае значительная часть капель проваливается через прогретый слой, не успевая испариться. Такая вода является потерянной.
Характер взаимодействия воды с твердым, нерастворимым в ней, материалом зависит от температуры его поверхности и дисперсности струи.
Все это объясняется изменением характера кипения жидкости. Существует два основных режима кипения: пузырьковое, когда пар образуется в виде отдельных пузырьков вокруг центров парообразования, находящихся на поверхности, и пленочное, когда жидкость отделена от поверхности слоем пара.
Пузырьковый режим кипения наблюдается при температурах поверхности 109–170 °С. В этом интервале испарение происходит при непрерывном контакте воды с нагретой поверхностью. При 170–270 °С между поверхностью и каплей или струей воды формируется пленка пара. Данный эффект был открыт и описан в 1750 году Лейденфростом. При этом струя воды дробится на капли, которые стремятся принять форму сферы. Пленка пара вокруг капли сокращает приток к ней тепла, тем самым увеличивая время испарения. Мелкие капли периодически соприкасаются с поверхностью, крупные – скользят по паровой подушке. При температурах выше 270 С (в литературе это значение называется точкой Лейденфроста) вода полностью находится в сфероидальном состоянии, каждая капля обволакивается пленкой пара и с поверхностью не контактирует.
270–170 °С
600–270 °С
170–109 °С
< 109 °С
а
б)
в
Рисунок. 19 - Состояние воды при различных температурах охлаждаемой поверхности:
а – дробление струи на отдельные капли;
б – периодический контакт капель с поверхностью;
в – пузырьковое кипение и непосредственный контакт капель с поверхностью
Таким образом, струя воды, подаваемая на тушение, при контакте с твердой поверхностью, имеющей температуру 600–270 °С, сначала дробится на более мелкие части и отдельные капли, которые с поверхностью не контактируют (рисунок 19, а). Процесс теплопередачи при этом идет через пленку пара.
По мере охлаждения поверхности, при температурах 270–170 °С, мелкие капли периодически касаются поверхности и отбрасываются от нее паром. Крупные капли скользят по паровой подушке. При этом на горизонтальной поверхности они растекаются и медленно испаряются, а с вертикальной – быстро соскальзывают. Чем ниже температура, тем тоньше паровая прослойка и соответственно меньше время испарения капель (см. рисунок 19, б).
При 170–109 °С прекращается образование пленки пара, вода вскипает непосредственно на поверхности – капли испаряются практически мгновенно (см. рис. 19, в). Охлаждение поверхности до температур ниже 109 °С приводит к уменьшению интенсивности теплопередачи; время испарения капель воды возрастает – вода дольше удерживается на поверхности. При температурах ниже температуры кипения вода начинает смачивать обугленную поверхность, впитываться в поры и трещины.
В настоящее время при тушении пожаров используются два способа подачи воды – в виде компактных и распыленных струй. Компактная струя из пожарного ствола представляет собой сплошной поток воды, имеющий высокую скорость. Эти струи имеют большой запас энергии и обладают определенной ударной силой, позволяющей срывать пламя. При этом большая масса воды воздействует на малую площадь. В этом достоинство и одновременно недостаток компактных струй. Большой запас энергии позволяет подавать воду на большие расстояния, а сравнительно малая площадь воздействия снижает коэффициент использования. В результате материальный и экологический ущерб от тушения может превысить ущерб от самого пожара.
Компактные струи целесообразно применять в тех случаях, когда требуется подать воду на большие расстояния или придать ей большую ударную силу. Это, например, тушение газовых фонтанов, большинство открытых пожаров твердых горючих материалов, охлаждение стен соседних с горящим объектом сооружений и т. п. Данный способ тушения является наиболее простым и потому наиболее распространенным.
Распыленная струя – это поток воды, состоящий из отдельных капель. Такие струи обладают небольшой энергией и дальностью полета. Однако единица массы распыленной воды орошает бóльшую площадь, чем такое же количество компактной. Кроме того, распыленная струя может активно воздействовать непосредственно на зону горения.
|
|
|
