ОГНЕТУШАЩИЕ ВЕЩЕСТВА И МЕХАНИЗМЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ

Под огнетушащими составами (ОС) понимают различные вещества и материалы, с помощью которых можно непосредственно создать условия прекращения горения.

Все ОС классифицируются по двум признакам: по агрегатному состоянию и механизму прекращения горения.

По агрегатному состоянию они подразделяются на:

- жидкие (вода, водные растворы смачивателей и т.д.);

- пенные (воздушно-механические и химическая пены);

- сыпучие материалы (песок, земля, специальные составы и т.д.);

Все огнетушащие составы оказывают комбинированное воздействие на процесс горения. Вода, например, может охлаждать и изолировать (или разбавлять) источник горения; порошковые составы изолируют и тормозят реакцию горения; наиболее эффективные газовые составы разбавляют и тормозят реакцию горения и т.д. Однако любое огнетушащее средство обладает одним доминирующим свойством.

По механизму прекращения горения все ОС подразделяются на:

- охлаждающие зону химической реакции или горящие вещества (вода, водные растворы смачивателей, твердый диоксид углерода и т.д.);

- разбавляющие вещества в зоне реакций горения (нейтральные газы, водяной пар и т.д.);

- изолирующие горючие вещества от зоны горения (химическая и воздушно-механическая пены, негорючие сыпучие материалы, листовые материалы и т.д.);

- химически тормозящие реакцию горения (хладоны).

ОС широко распространены в природе. Кроме того, современные технологии позволяют получать такие ОС, которые отсутствуют в природе. Однако не все ОС могут быть взяты на вооружение органами и подразделениями по чрезвычайным ситуациям, а лишь те, которые отвечают определенным требованиям. Они должны:

- обладать высоким эффектом тушения при сравнительно малом расходе;

- быть доступными, простыми в использовании и иметь низкую стоимость;

- не оказывать вредного воздействия при их применении на людей и материалы, быть экологически чистыми.

Физико-химические свойства и механизмы прекращения горения водой

Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее универсальных огнетушащих составов, применяемых при тушении пожаров. Она эффективна при тушении пожаров, связанных с горением веществ, находящихся во всех агрегатных состояниях. Ее с успехом используют при тушении горящих газов, пожаров легковоспламеняющихся жидкостей, горючих жидкостей, твердых горючих материалов.

Область применения воды может быть ограничена по следующим причинам:

- водой нельзя тушить горючие вещества и материалы, с которыми она вступает в интенсивное химическое взаимодействие с выделением тепла и горючих компонентов (щелочные, щелочноземельные металлы, карбид кальция и т.д.), а также кислоты и щелочи, с которыми вода бурно взаимодействует;

- нельзя тушить водой пожары с температурой 1800-2000^оС, т.к. при этом происходит сравнительно интенсивная диссоциация паров воды на кислород и водород, которые интенсифицируют процесс горения;

- водой нельзя тушить пожары, при которых ее применение не обеспечивает требуемых условий безопасности для личного состава (например, электроустановок, находящихся под высоким напряжением).

Во всех остальных случаях вода является надежным, эффективным и поэтому наиболее широко используемым средством тушения пожаров. Это объясняется наиболее удачным сочетанием физико-химических свойств с точки зрения требований к огнетушащим составам: относительно высокой термической устойчивостью, высокими теплоемкостью и теплотой испарения, относительной химической инертностью и т.д.

Вода, как огнетушащих состав, имеет свои недостатки. Сравнительно высокая температура замерзания и аномалия изменения плотности при замерзании сильно ограничивают ее использование при отрицательных температурах. Сравнительно малая вязкость и высокий коэффициент поверхностного натяжения ухудшают ее смачивающие способности и тем самым снижают коэффициент использования в процессе тушения.

Но низкая стоимость, широкая распространенность, простота использования, удобства хранения и транспортировки, простота и регулируемость подачи в зону горения, безопасность применения, хорошая растворяющая способность и другие положительные свойства в значительной степени компенсируют недостатки воды.

Вода – жидкость без цвета и запаха. Химическая формула – Н₂О.

- плотность насыщенного водяного пара при 100^оС и давлении 98,1×10³ Па r_п = 0,6 кг/м³;

- удельная теплоемкость жидкости с_ж = 4,19 кДж/(кг×К);

- удельная теплоемкость паров в диапазоне температур от 100 до 1000^оС с_р = 2,52 кДж/(кг×К);

- скрытая теплота парообразования r = 2260 кДж/кг;

- коэффициент поверхностного натяжения s_в = 7,25×10^-3 Н/м;

- коэффициент динамической вязкости m_в = 10^-3 (Н×м)/м²;

- удельная электрическая проводимость (чистой воды) при 20^оС 1/R = 400 Ом^-1×м^-1.

По механизму прекращения горения вода относится к категории охлаждающих огнетушащих средств [3].

Если в факел пламени подать тонкораспыленную воду, то значительная часть или почти вся вода испарится, отняв максимальное количество тепла. 1 л воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и нагревании паров до наименьшей температуры пламени, способен отнять от факела пламени 4860 кДж тепла. Если допустить, что вся вода, поданная в зону пламени, полностью испарится, то механизмы отвода тепла и механизм прекращения горения будут следующими:

- снижение температуры пламени из-за затрат тепла на нагревание капелек воды до температуры кипения:

- снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразование (на испарение):

- снижение температуры факела пламени за счет смешения паров воды при температуре 100 ^оС и реагентов в зоне реакции и затраты тепла на нагревание паров воды до температуры среды в зоне горения:

- разбавление компонентов горючей смеси в зоне химической реакции горения парами воды;

- изменение теплофизических свойств газовой среды в зоне горения: c_р^см; l_см и др.

Количество тепла, отводимое 1 кг воды, имеющей начальную температуру 20 ^оС, будет равно:

q₁ + q₂ + q₃= c_в× m_в×(t_кип – t_о) + r×m_в+ c_р^в.п. × m_в × (t_пл – 100) =

т.е. 1 л воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и нагревании паров до наименьшей температуры пламени, способен отнять от факела пламени 4860 кДж тепла.

Физико-химические свойства и механизмы прекращения горения пеной

Пены относятся к огнетушащим средствам, широко используемым при пожаротушении. Это связано с преимуществами, которыми они обладают по сравнению с таким традиционным ОС как вода. Применение пен позволяет сократить время тушения пожаров до 3 раз, уменьшить материальные потери от пожаров до 1,5 раз.

Пена представляет собой грубодисперсную двухфазную систему, состоящую из ячеек, заполненных газом и разделенных пленками жидкости. Газ (или пар), заполняющий ячейки, является дисперсной фазой, а жидкость - дисперсионной средой. Жидкую фазу пены называют отсеком.

Структура пены определяется отношением объемов газовой V_г и жидкой V_ж фаз в единице объема. Если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10-20 раз, т.е. V_г/V_ж < 10-20, ячейки, заполненные газом, имеют сферическую форму. В таких пенах пузырьки окружены слоем жидкости относительно большой толщины. С увеличением отношения V_г/V_ж до нескольких десятков или даже сотен толщина пленки жидкости, разделяющей газовые объемы, уменьшается, а газовая полость утрачивает сферическую форму и трансформируется в многогранник, причем форма многогранника может быть самой различной - параллелепипеды, треугольные призмы, тетраэдры и т.д.

Кратностью пены называется отношение объема пены V_п к объему жидкой фазы, из которой она получена:

Отношение объема газа в пене к объему пены называется газосодержаниемпены b:

Газосодержание и кратность связаны между собой соотношением:

Дисперсностьпены D_п оценивается либо средним размером пузырьков пены d_ср, либо их распределением по размерам:

Видно, что с уменьшением диаметра пузырьков пены ее дисперсность возрастает. Если пузырьки имеют одинаковые размеры, пена называется монодисперсной, если имеется много размеров (фракций) пузырьков, пена называется полидисперсной.

На дисперсность пены оказывают влияние физико-химические свойства пенообразователя, способ смешения фаз, конструкция пеногенератора и т.д. Чем выше дисперсность пены, тем она более подвижна. С повышением кратности пены ее дисперсность уменьшается.

В зависимости от величины кратности пены разделяют на четыре группы:

В практике тушения пожаров используются все четыре вида пены, которые получают различными способами и с помощью разных устройств:

· Пеноэмульсии – соударением свободных струй раствора для тушения пожаров нефти в амбарах.

· Низкократные пены – в пеногенераторах, в которых эжектируемый воздух перемешивается с раствором пенообразователя.

· Пена средней кратности – на металлических сетках эжекционных пеногенераторов.

· Пена высокой кратности – в генераторах с перфорированной поверхномтью тонких металлических листов или на специальном оборудовании в результате принудительного наддува воздуха в пеногенератор от вентилятора.

- огнестойкостьпены характеризует ее поведение в реальных условиях пожаротушения.

- вязкостьпены характеризует ее способность к растеканию и оценивается коэффициентом динамической вязкости m, либо напряжением сдвига s. Коэффициент динамической вязкости возрастает с увеличением кратности пены и ее дисперсности.

- плотность пены зависит от соотношения жидкой и газовой фаз и может изменяться от 0,5 r_ж до значений, близких к r_г (r_ж и r_г - плотности жидкой и газовой фаз, соответственно). Пены, используемые для тушения пожаров, обычно имеют плотность 10-5 кг/м³ и меньше.

- электропроводностьпены пропорциональна количеству содержащейся в ней жидкости. Экспериментально установлено, что отношение электропроводности жидкости к электропроводности пены линейно связано с отношением их плотностей. Уравнение, описывающее эту зависимость имеет следующий вид:

где Х_ж, Х_п - удельные электропроводности раствора и пены, соответственно.

Передача тепла в пене происходит через пузырьки газа и через жидкостные пленки между ними. Из-за наличия газовой фазы теплопроводность пен незначительна.

Пена, как и любая дисперсная система, является неустойчивой. Это связано с наличием избытка поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела фаз жидкость - газ. Поэтому с момента образования пен в ней протекают процессы старения, в результате которых пена изменяет свои свойства. Разрушение пены в нормальных условиях происходит в результате истечения жидкости (синерезиса) и разрыва пленок внутри пены. Следствием этого является изменение структуры.

В реальных условиях при тушении пожара пена разрушается также в результате деформации пузырьков под действием силы трения при движении, термического воздействия окружающей среды, конвективных потоков и др. Процесс разрушения может быть охарактеризован интенсивностью разрушения, которая определяется по формуле:

где DV_п^разр - объем пены, разрушенной за промежуток времени Dt;

В настоящее время чаще пользуются понятием «устойчивость пены». Устойчивостьпены S_п - это ее способность сохранять объем, дисперсный состав и препятствовать синерезису.

Различают следующие показатели, характеризующие устойчивость пены:

- устойчивость объема пены. Характеризуется временем разрушения 25% от исходного объема.

- устойчивость к обезвоживанию (к синерезису). Характеризуется временем выделения из пены 50% жидкости.

- структурная устойчивость. Характеризуется временем изменения среднего диаметра пузырьков на 25 % от исходной величины.

- контактная устойчивость на поверхности полярных горючих жидкостей. Характеризуется временем полного разрушения пены.

- термическая устойчивость. Характеризуется временем разрушения всего объема пены под действием теплового потока от факела пламени.

- устойчивость изолирующего действия. Характеризуется временем, в течение которого слой пены препятствует воспламенению жидкости открытым источником пламени.

S_п - величина, обратная интенсивности разрушения:

Ее оценивают по времени, в течение которого из пены выделяется 50 % объема жидкой фазы, из которого она получена, т.е. 50 % отсека.

Для пен кратностью 100-1000 время выделения 50 % отсека при 20 ^оС описывается следующей эмпирической зависимостью:

где d – диаметр пузырьков фракции, К_п – кратность пены.

Устойчивость пены зависит от многих факторов, но следует выделить следующие: температура окружающей среды, дисперсноть пены (моно- или полидисперсная), ее кратность, высота слоя, давление упругих паров горючей жидкости, механическое воздействие на нее при движении, т.е.

Для повышения устойчивости пен в них вводят вещества-стабилизаторы (соли поливалентных металлов, глинозем, поливиниловый спирт, эфиры целлюлозы, полиакриламид, протеин и т.д.).

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: