СВОЙСТВА ПЛАМЕНИ АЭРОЗОЛЬНОГО ОГНЕТУШАЩЕГО СОСТАВА

Аннотация: Пиротехнические аэрозольобразующие составы являются эффективными пожаротушащими средствами. Прекращение горения осуществляется уменьшением концентрации активных частиц пламени путем рекомбинации на поверхности дисперсных частиц. Частицы оксида калия являются центрами прекращения горения.

Ключевые слова: пожар, огнетушащее средство, аэрозоль, рекомбинация, температура.

Для тушения пожара существуют автоматические установки водяного, пенного и газового действий. В последнее время появились новые средства тушения пожара с использованием твердого топлива. Их характерным признаком является большая эффективность по сравнению с традиционными огнетушащими веществами. Пиротехнические аэрозольобразующие составы показали лучшую пожаротушашую способность по сравнению с хладонами.

В середине 19 века были созданы огнетушащие средства на основе дымного пороха. Смесь содержала 66% селитры, 4% угля и серы. Дым, идущий из огнетушителя, быстро тушил очаг горения, но оказался химически активным, так как содержал пары серной кислоты. Данный состав использовался в течение столетия без каких-либо изменений.

Современные разработки аэрозольобразующих составов связаны с повышением эффективности пожаротушения, с понижением температуры и химической активности двухфазного потока продуктов сгорания. При тушении пожара конденсированные частицы продуктов сгорания играют роль «третьей частицы», необходимой для погашения энергии активных частиц пламени. На поверхности частиц происходят реакции рекомбинации типа:.2**HHH Тепловая энергия, выделяемая в пламени, уменьшается из-за мгновенной гетерогенной гибели большого количества активных частиц одновременно по всему объему пламени. Теплоотвод из пламени, путем нагревания аэрозольной частицы, составляет небольшую долю. Например, при сгорании 1 м3 метановоздушной смеси стехиометрического состава выделяется 35820 кДж тепловой энергии. Для разложения солей фосфорно-аммонийного порошка при концентрации 100 г/м3 требуется около 40 кДж тепла. Теплоотвод из зоны горения составляет всего около 10%.

В промышленных масштабах производятся пожаротушащие составы на основе смесевых твердых топлив с применением полимерного связующего. При горении таких составов образуется аэрозоль, состоящий из инертных газов, дисперсных твердых частиц химически активных соединений с развитой поверхностью, оказывающих высокое ингибирующее действие на процессы горения органических веществ в воздухе. Конденсированные частицы аэрозоля – частицы оксида, гидрооксида и солей калия размерами от 0,5 до 4 мкм. Газовая фаза состоит из азота, углекислого газа и паров воды. Пожаротушащий эффект основывается на ингибирующем, флегматизирующем, охлаждающем и кислородсвязующем действиях.

Для тушения легковоспламеняющихся жидкостей (ацетон, бензин, этанол) предельная огнетушащая концентрация аэрозоля равна 30 – 47 г/м3. Многие составы включают в себя в качестве неорганических окислителей нитраты или перхлораты калия. Эпоксидные или фенолформальдегидные смолы, идитол, каучук используются как связующие горючие вещества.

Неплохие результаты получены на составах, содержащих нитрат калия, сорбит и йодит аммония.  При взаимодействии оксида калия с йодом коррозионная активность порошка значительно уменьшается. Из токсических газовых составляющих необходимо отметить наличие метана (196 мг/м3), угарного газа (460 мг/м3), аммиака (25 мг/м3). Окислы азота составляют 11 мг/м3, а HCN – 13,5 мг/м3 при использовании заряда массой 200 г при тушении пожара в камере объемом 4 м3.

Испытательная кубическая камера объемом 4 м3 включает 3 очага возгорания, расположенных на разных высотах от пола. Нижний очаг расположен на высоте 16 см от уровня пола камеры, средний и верхний – на уровне 0,8 м и 1,44 м соответственно. Очаг горения представлял собой бензиновую горелку цилиндрической формы диаметром 10 см. Горение жидкости происходило с открытой поверхности.

Заряд огнетушащего состава располагался на полу камеры. Продукты горения состава поднимались вверх и заполняли в первую очередь припотолочный объем. При достижении облака аэрозоля уровня верхнего очага пламя гасло. Время гашения составляло 6 с с момента срабатывания заряда. Время тушения среднего очага составляло 12 с. Как следует из динамики тушения очагов горения эффективность пожаротушения зависит от газоприхода состава. За 12 с заполнилась половина объема испытательной камеры. Если генерация аэрозоля продолжался бы в таком же темпе, то в следующие 12 с возможно тушение очага горения, расположенного на полу камеры. Однако в камере возникают конвективные потоки, которые создают циркуляцию аэрозольного облака. Если на пути циркуляционного потока расположена горелка, то очаг горения будет потушен, что и наблюдается в эксперименте.

Из проведенных испытаний следует, что кроме скорости газоприхода, определяющего заполнение объема камеры аэрозолем, определенную роль играют конвективные потоки, возникающие в камере.

Режим горения состава в свободно конвективном режиме отличается от генераторного. В генераторном режиме горения состава температура продуктов сгорания несколько снижается. В генераторе поток аэрозоля, проходя через выходные щели прибора, отдает часть энергии корпусу прибора. Однако изучение распределения температуры при свободно конвективном режиме горения позволяет выделить в пламени те зоны, где образование целевого продукта максимально.

Фотографии пламени приведены на рис. 1. Линейная скорость горения состава равна 3,1 мм/с. Пламя данного состава у основания имеет желтую окраску. Высота ее простирается до 60 мм. Далее пламя расширяется до диаметра 20 см. В потоке продуктов сгорания наблюдается движение крупных дисперсных частиц желто-оранжевого цвета. Некоторые частицы выпадают из потока и догорают при падении. Максимальная высота подъема таких частиц не превышает 30-40 см. Свечение других крупных частиц наблюдается до высоты одного метра. Дымка образуется вокруг светящего пламени и простирается высоко в продуктах горения.

Наиболее яркая зона пламени имеет значительную высоту (рис. 1б). Из ярко светящегося пламени выбрасываются довольно крупные дисперсные частицы, оставляя прямые трассеры.

С помощью программных средств в изображении пламени выделены точки одинаковой яркости, последовательность которых отображается в виде линий одинаковой яркости или изофот . Пространство между последовательными изофотами образует зону пламени.  Наиболее яркие изофоты имеют большую протяженность по высоте (рис. 1в). Контуры внешних изофот «изрезаны» выбросами дисперсных частиц.

Для изучения яркостной структуры пламени и распределения температуры в ней использовался фотопирометрический метод с применением компьютерных технологий. В основе метода лежит сравнение яркости эталона с яркостью зон пламени. Эталон и пламя фотографировались через плотный светофильтр ПЗС-камерой. Полученное цифровое изображение обрабатывалось программными средствами для получения распределений яркости и температуры пламени . При совпадении яркости эталона и исследуемой зоны пламени яркостную температуру эталона приписывали температуре этой зоны пламени. Так как исследуемое пламя относится к оптически плотным, то измеренная яркостная температура равна истинной температуре пламени.

Распределение температуры по высоте приведено на рис. 2. У поверхности горения температура пламени равна 1380 K. Изотермический участок пламени простирается до высоты 110 мм. Затем температура уменьшается с градиентом -0,34 K/мм до высоты 156 мм и дальше значение градиента увеличивается до -6,75 K/мм. Сравнение распределения температур вдоль радиуса и оптического изображения пламени показывает, что образование аэрозоля максимально в тех зонах пламени, где значение градиента температур максимально.

На высоте 8 см от поверхности горения на оси пламени (рис. 3а) имеются множество частиц игольчатой формы, размерами 100x1150 мкм2, с различной ориентацией относительно друг друга. Расстояние между ними порядка   0,5’1 мм.

На краю пламени на той же высоте имеются частицы округлой формы диаметрами 30’60 мкм (рис 3б). На некоторых участках пробоотборника размеры частиц достигают до 80 мкм. Между такими частицами расположены более мелкие частицы размерами 4’5 мкм.

С увеличением высоты (рис. 3в) на оси пламени число игольчатых частиц не уменьшается, однако поперечные размеры иголок значительно меньше.

Между иголками поверхность пробоотборника усеяна частицами разных размеров.

Дисперсный состав продуктов горения выборочно представлен на рис. 3.

Интересно отметить, что некоторые частицы размерами 30’40 мкм консолидированы и образуют частицу размерами 650 мкм (рис 3г). Диспергированные частицы – комплексы в потоке продуктов сгорания движутся вместе, хотя между ними явной связки нет. По всей вероятности такие образования возникают на горящей поверхности состава и продолжают существовать в продуктах сгорания. Предположительно, такие образования могут сохраняться в пространстве из-за существующих микропламен вокруг частиц. Противодавление сферического пламени сохраняет внутреннее содержимое частицы. Данное пламя принято называть обращенным, так как горючее находится вне сферы, а потоки паров окислителя движутся вдоль радиуса от центра.