 |
Коэффициент использования вод при тушении твердых горючих материалов
|
|
|
|
При тушении любого пожара не вся подаваемая вода участвует в прекращении горения. Проведем количественную оценку коэффициента ее использования на примере тушения древесины.Теоретический коэффициент использования находится как отношение теоретического минимального удельного расхода огнетушащего вещества к фактическому q уд:
= / q уд. (32)
Найдем минимальное теоретическое значение удельного расхода, соответствующее оптимальной интенсивности подачи. Принимаем следующие допущения: горит одиночный термически толстый образец древесины; коэффициент поверхности Кп = 1; горение протекает под действием излучения только собственного пламени; за время свободного горения образовался углистый слой предельной толщины, равный примерно 1 см; вода в распыленном виде подается равномерно на всю площадь поверхности горения; любые потери воды отсутствуют; интенсивность подачи равна оптимальной.
Для прекращения горения рассматриваемого образца интенсивность теплоотвода водой должна компенсировать тепловые потоки, поступающие к поверхности извне q вн (в данном случае только от собственного пламени), изнутри (в данном случае тепловой эффект экзотермических реакций L экз), а также тепловой поток, аккумулируемый в пиролизованном слое q зап, за вычетом конвективных потерь тепла q конв (см. рисунок 20).
Т
q пир = (L − L экз)
Т пов
Т пир
q вн
q конв
Q зап = q запτгор
Рисунок 20 - Схема распределения тепловых потоков
при горении одиночного образца древесины
Уравнение теплового баланса горения имеет вид:
q вн= (L − L экз) + q зап + q конв, (33)
|
|
|
где q вн – внешний лучистый тепловой поток, падающий на поверхность, кВт/м2;
– приведенная массовая скорость выгорания, кг/(с∙м2);
L – теплота, затрачиваемая на пиролиз (газификацию) материала, кДж/кг;
L экз – экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза, кДж/кг; q зап – тепловой поток, аккумулируемый в поверхностном слое;
q конв – конвективный тепловой поток, исходящий от поверхности, кВт/м2.
Так как в данном примере рассматривается горение одиночного образца со свободной поверхностью и Кп = 1, то =.
Аккумулируемый тепловой поток q зап, кВт/м2, определяется выражением:
(34)
где с – удельная теплоемкость пиролизованного слоя, кДж/(кг·град);
Т пов – температура поверхности при горении;
Т пир – температура пиролиза.
Величина q конв, кВт/м2, определяется теплосодержанием газообразных продуктов пиролиза:
(35)
где ср – средняя удельная теплоемкость газов в интервале температур Т пов – Т пир.
Удельный запас тепла Q зап, кДж/м2, накопленный в углистом слое твердого материала за время свободного горения, равен:
Q зап = q запτгор, (36)
где q зап – тепловой поток, аккумулируемый пиролизующимся слоем, кВт/м2;
τгор – время свободного горения, с.
Отсюда
(37)
Теплота пиролиза L зависит от вида горючего материала. Значения теплоты пиролиза для некоторых ТГМ приведены в монографии [5]. Экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза L экзприсутствует при горении древесины и содержащих ее композиционных материалов. В расчетах L экз приближенно можно принимать равным 6 % от низшей теплоты сгорания.
|
|
|
Выражение для расчета массовой скорости выгорания, кг/(с·м2), получается из уравнения теплового баланса (44) после подстановки выражений (45) и (46):
. (38)
Экспериментальное значение плотности теплового потока q вн, падающего от собственного пламени, для древесины равно 24 кВт/м2; L = = 2790 кДж/кг; с = 1,47 кДж/(кг·град); ср = 3,1 кДж/(кг·град); Т пов = 700 °С; Т пир = 200 °С. Тепловой эффект экзотермических реакций в пиролизующемся слое древесины L экз = 0,06 Q н. Среднее значение Q н древесины сосны составляет около 19000 кДж/кг [12]. Отсюда L экз = 0,06 · 19000 = 1140 кДж/кг.
Подставив данные в выражение (7.2.54), получим = 0,0061 кг/(с·м2). Тогда
q конв = 0,0061·3,1(700 – 200) = 9,50 кВт/м2;
Q зап = [24 – 0,0061(2790 – 1140) – 9,5]τгор = 4,4τгор кДж/м2.
Найдем значение τгор, за которое толщина углистого слоя δ становится равной 1 см. Линейная скорость продвижения его нижней границы u л = = 2,2·10−2 q вн (в мм/мин). Отсюда τгор = 19,0 мин. Таким образом, удельный запас тепла в охлаждаемом слое рассматриваемого образца Q зап = 4,4 · 19 · 60 =
= 5016 кДж/м2.
Удельный расход огнетушащего вещества равен произведению интенсивности подачи на время тушения. Отсюда.
Оптимальная интенсивность подачи воды (42):
л/(с·м2).
Время тушения при J = J опт:
Минимальный удельный расход:
= 0,04 · 83 = 3,3 л/м2.
Отметим, что это теоретический расход воды в расчете на 1 м2 площади поверхности горения. Сравним данное значение с фактическими расходами воды при тушении реальных пожаров.
В качестве примера рассмотрим пожар в квартире, в здании не ниже III степени огнестойкости. Основную горючую нагрузку в жилых помещениях составляют изделия из древесины или ДСП. Анализ показал, что примерно в 75–80 % случаев площадь пожара в таких зданиях не превышает 5 м2. На их тушение, как правило, подается один ствол с расчетным расходом воды g = 3,5 л/с. Время работы ствола обычно не превышает 1 мин.
Фактический удельный расход при данных условиях равен
Исследования параметров горючей нагрузки жилых помещений, проведенные кафедрой «Процессы горения» Академии ГПС МЧС России, показали, что коэффициент поверхности в жилых помещениях Кп = 3÷5. Следовательно, удельный расход в расчете на 1 м2 поверхности горения равен
|
|
|
Таким образом, условно теоретический (так как в жилище имеется много горючих материалов по свойствам отличных от древесины) коэффициент использования воды равен:
Это означает, что в данном случае от 60 до 80 % поданной воды стекает с горящей поверхности, не успевая испариться. В значительной мере это объясняется особенностями контактирования воды с горящей поверхностью. Кроме того, на реальных пожарах условия горения существенно отличаются от принятых в рассмотренной модели. В частности, на открытых пожарах происходит взаимное переоблучение поверхностей горящих предметов (рисунок 21).
Рисунок 21 - Тепловое излучение на открытом пожаре:
черные стрелки – излучение собственного пламени;
светлые стрелки – излучение пламени соседнего предмета
Внутри помещений к этому добавляется излучение от припотолочного дымового слоя (рис. 32). Измеренный тепловой поток в жилом помещении достигает 50 кВт/м2. Примерно такие же значения получены при оценке тепловых потоков внутри скрытых поверхностей предметов, выгорающих в гетерогенном режиме.
Рисунок 22 - Схема теплового облучения предметов при пожаре в помещении:
черные стрелки – излучение собственного пламени;
светлые стрелки – внешнее излучение
Эти факторы увеличивают q вн и, соответственно, Q зап. В результате при одной и той же интенсивности подачи возрастают время тушения и фактический удельный расход.
Кроме того, не всегда удается подавать воду на скрытые участки поверхности. Чем больше коэффициент поверхности горючей нагрузки, тем больше скрытых участков, тем меньше реально орошаемая площадь по отношению к площади горения.
Определить теоретический коэффициент использования воды на большинстве потушенных реальных пожаров либо невозможно, либо крайне сложно. Это объясняется, прежде всего, неоднородностью горючей нагрузки. Кроме того, часто не известен ее состав.
|
|
|
Обработка данных по результатам тушения водой более 2000 пожаров площадью до 600 м2, проведенная в нашей стране и за рубежом, показала, что фактический удельный расход существенно зависит от площади пожара. При этом зафиксированные значения удельного расхода при каждой площади пожара оказываются не ниже некоторого минимального значения (рисунок 23).
Зависимость минимальных значений q уд от площади пожара S п описывается выражением = 1,1 lg S п + 0,302. С достаточной для практики точностью можно считать, что минимальный удельный расход воды численно равен половине площади пожара: = 0,5 S п, л/м2. Таким образом, практический коэффициент использования воды определяется по формуле
Ки = 0,5 S п / q уд. (39)
lg S п
lg q уд
q уд
Рисунок 23 - Иллюстрация зависимости
минимального фактического удельного расхода воды от площади пожара
Повышение коэффициента использования воды
при тушении пожаров твердых горючих материалов
Известные в настоящее время способы повышения коэффициента использования воды при тушении ТГМ по основному механизму действия можно условно разделить на следующие группы:
– уменьшение внешнего теплового потока;
– увеличение площади орошения;
– повышение скорости пропитки углистого слоя;
– увеличение времени контакта воды с поверхностью ТГМ.
Способы, составляющие первую группу, фактически являются комбинированными, так как основаны на применении огнетушащих веществ с разными доминирующими механизмами действия.
В первую группу попадают способы объемного тушения. При тушении тлеющих ТГМ их применение часто оказывает лишь вспомогательное действие. Окончательное тушение в этих случаях достигается подачей воды или порошка класса АВС непосредственно на поверхность горения. Однако даже кратковременное уменьшение или ликвидация q вн снижает массовую скорость выгорания, скорость аккумулирования тепла в прогретом слое. Все это в комплексе приводит к уменьшению времени прекращения горения. Соответственно уменьшается фактический удельный расход воды. Наиболее эффективно эти способы реализуются в помещениях подачей порошков класса ВСЕ; огнетушащих аэрозолей; импульсной и непрерывной подачей тонкораспыленной воды и воды аэрозольного распыления (средний диаметр капель порядка 50 мкм).
Сюда же следует отнести подачу пены средней кратности на поверхности горящих предметов и материалов. Слой пены экранирует внешние тепловые потоки довольно продолжительное время. В этих случаях вода тратится в основном на проливку скрытых участков в ходе разборки.
|
|
|
Вторую группу составляют различные способы подачи распыленной воды. Основную сложность при этом составляет доставка воды непосредственно к поверхности горения.
Повышение скорости пропитки углистого слоя (третья группа) достигается применением добавок поверхностно-активных веществ. Это приводит к уменьшению поверхностного натяжения воды и увеличению глубины и скорости пропитки. Разработаны и выпускаются специальные составы – смачиватели. Как правило, их основу составляют синтетические анионоактивные ПАВы. От пенообразователей они отличаются пониженной пенообразующей способностью.
В практике пожаротушения для этих целей используют чаще всего обычные пенообразователи как более универсальные. При этом создают рабочую концентрацию раствора, обычно равную половине необходимой для получения пены. Соответственно раствор подается водяными стволами.
Увеличение времени контакта воды с поверхностью ТГМ (четвертая группа) достигается применением добавок-загустителей – веществ, повышающих вязкость. С этой целью используют водорастворимые полимеры: карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), полиэтиленоксид и др. В практике пожаротушения такие растворы применяются крайне редко, так как они предъявляют повышенные требования к обслуживанию оборудования.
|
|
|
