Исследование вопросов применения твердой двуокиси углерода в качестве огнетушащего вещества для тушения пожаров

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ

Канд. техн. наук, начальник научно-исследовательской лаборатории "Пожарная безопасность" Тольяттинского военного технического института

Н. Н. Старков

Начальникучебной лаборатории кафедры "Пожарно-профилак-тических дисциплин" Тольяттин-ского военного технического института

А. А. Костин

Младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории "Пожарная безопасность" Тольяттинского военного технического института

С. В. Иванин

УДК 614.844.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДОЙ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В КАЧЕСТВЕ ОГНЕТУШАЩЕГО ВЕЩЕСТВА ДЛЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ

Проведены теоретические расчеты по определению огнетушащей концентрации твердой двуокиси углерода, а также исследования огнетушащих свойств твердой двуокиси углерода на лабораторных установках.

В настоящее время в области пожаротушения разрабатываются все новые образцы огнетушащих веществ, методы и технические средства их доставки в очаг пожара. Все больший интерес проявляется к составам на основе инертных газов — азота, аргона, а также двуокиси углерода и других добавок.

Двуокись углерода в газообразном состоянии — это углекислый газ, по масштабам применения в пожаротушении стоящий на третьем месте после воды и пены. Он обладает рядом положительных свойств, делающих его незаменимым для защиты таких объектов, как вычислительные центры, архивы, музеи и другие помещения с дорогостоящим и ценным оборудованием. При этом одним из недостатков систем газового тушения, использующих углекислый газ, является необходимость создания высоких огнетушащих и флегматизирующих концентраций и вызванная этим потребность в большом количестве баллонов для применения и хранения газа. Газовые установки не могут использоваться для защиты резервуаров с нефтепродуктами, тушения газонефтяных фонтанов и других открытых пожаров. Данные недостатки отсутствуют при применении двуокиси углерода в твердом виде.

Основные положительные свойства твердой двуокиси углерода:

• является экологически чистым веществом, не обладающим озоноразрушающим эффектом;

• может обеспечить тушение пожаров без отключения электроэнергии;

• применение твердой двуокиси углерода безущербно к объекту тушения, не наносит повреждений имуществу, оборудованию и зданиям в процессе тушения;

• пригодна для защиты дорогостоящего электрооборудования под напряжением;

• не оказывает коррозийного действия на элементы радиоэлектронной аппаратуры;

• по сравнению с традиционными огнетушащими составами твердая двуокись углерода не вносит дополнительных высокотоксичных вредных примесей в газовый состав помещений;

• не является дефицитным веществом, может производиться в непосредственной близости от работающей системы пожаротушения. Целью научных исследований является изучение применения твердой двуокиси углерода как одного из наиболее перспективного огнетушащего вещества для тушения пожаров и обеспечения пожарной безопасности.

Расчет огнетушащей концентрации твердой двуокиси углерода

Исходя из теории прекращения горения, для тушения пламени достаточно снизить его температуру в зоне горения до 1000°С [1], что равносильно

поглощению 20% тепла, выделяющегося при горении в единицу времени. Тушение с помощью твердой двуокиси углерода целиком базируется на этой теории, хотя решение задачи снижения температуры пламени и уменьшения скорости тепловыделения в единичном объеме достигается различными способами в зависимости от химического строения и физических свойств молекул вещества.

Снижение температуры в зоне горения может быть достигнуто следующим:

• уменьшением концентрации горючего и кислорода в объеме за счет разбавления смеси нейтральным газом;

• передачей части теплоты от компонентов горючей смеси теплоемким молекулам огнетушаще-го вещества;

• передачей части теплоты на изменение агрегатного состояния огнетушащего вещества. Независимо от механизма действия огнетушащего вещества тушение очага горения происходит при понижении температуры горючей смеси до температуры тушения Ттуш, которая составляет 1280-1300 К [2].

В качестве математической модели для расчета концентрации твердой двуокиси углерода использовался математический аппарат, описанный в работах [1-3]:

Фр = 100

дн/(1 + 4,76р) - С0Т" ан/(1 + 4,76р) + (С - С0)Т*

где фр — флегматизирующая концентрация огнетушащего вещества, %;

Qн — низшая теплота сгорания горючего вещества (количество тепла, которое выделяется при полном сгорании вещества и при условии, что влага, содержащаяся в продуктах горения, находится в парообразном состоянии), кДж/моль; Р — коэффициент, стоящий перед окислителем в уравнении химической реакции горения; С — мольная теплоемкость горючего, кДжДмоль-К);

Со "

— мольная теплоемкость стехиометрической

смеси, подлежащей тушению, кДжДмоль-К);

*

Т — температура зоны реакции горения, К. Формула (1) применяется для расчета минимальной флегматизирующей концентрации огнету-шащего вещества (наименьшей концентрации огнетушащего вещества в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится не способной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя). Но формула (1) применима только для газообразных огнетушащих веществ и не может быть использована для расчета концентрации твердых огнетушащих веществ.

Для расчета концентрации твердой двуокиси углерода в знаменатель формулы (1) добавили величину QF — количество теплоты, необходимое для сублимации твердой двуокиси углерода и нагрева испарившегося газа. Тогда формула (1) примет вид:

Фр = 100

Qнl(1 + 4,76р) - С0Т*

Qн/(1 + 4,76р) + (С - С0)Т* + Qp

Если флегматизатор термически устойчив и не распадается в интервале температур до 1280 К, то величина QF в формуле (2) будет равна нулю, такой флегматизатор относится к категории нейтральных газов (НГ). Важно отметить, что при пожаре процесс окисления горючего завершается образованием продукта неполного окисления — оксида углерода, а не двуокиси.

Рассчитаем концентрацию углекислого газа при горении пропано-воздушной газовой смеси. В этом случае QF = 0. Учитывая, что горение идет с выходом СО и Н20, а не С02, запишем уравнение химической реакции горения:

С3Н8 + 3,5(4,7602 + 4,76^) = = ЗСО + 4Н2О + 3,5-3,76^.

Низшую теплоту сгорания горючего вещества Qн необходимо рассчитывать по закону Гесса, при этом теплота образования СО составит 110 кДж/моль, Н20 — 242 кДж/моль, С3Н8 -103,9 кДж/моль [2]:

X ( АН/п.г1тг ) -АН/гПг

Qн = —-'

где АН у пг г, АНуг — стандартная теплота образования г-го продукта горения и горючего соответственно, кДж/моль;

пг и т1 — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения. Низшая теплота сгорания горючего вещества С3Н8 составить:

Qu =

(110 • 3 + 242 • 4) - 103,9 1

= 1194 кДж/моль.

Температура зоны реакции горения равна 1200 К. Мольная теплоемкость двуокиси углерода составит С = 48 Дж/(моль-К), стехиометрической смеси Со = 36,5 ДжДмоль-К); Р = 3,5. Тогда по форму-

г

ле (1) концентрация двуокиси углерода будет определяться следующим образом:

Подставив полученное значение в формулу расчета огнетушащей концентрации (2), имеем:

Фр = 100 [1194/

Согласно данным справочника [4] концентрация двуокиси углеродафСОг = 25-30%. Расчет дает хорошее совпадение со справочными значениями величины огнетушащей концентрации нейтрального газа (углекислоты).

Проведем расчет концентрации при применении для тушения пламени смеси пропан - воздух твердой двуокиси углерода. В этом случае QF Ф 0, поэтому для вычислений воспользуемся формулой (2).

QF = QF1 + QF 2 соответствует количеству теплоты, поглотившейся в зоне реакции горения при сублимации твердой двуокиси углерода, а также при нагреве этого газа до температуры окружающей среды или горения. Расчет будем вести при условии, что твердая двуокись углерода нагреется до температуры окружающей среды.

Теплота сублимации твердой двуокиси углерода равна 570,8 кДж/кг. Для того, чтобы получить размерность кДж/моль, проведем преобразования:

1 кг

и =

М 0,044 кг/моль

= 22,72 моль.

Тогда количество теплоты, поглотившейся в зоне реакции горения при сублимации твердой двуокиси углерода, составит:

^ 1 = 570,8 кДж = 25,12 кДж/моль. (8) 22,72 моль

Количество тепла, необходимого для нагрева газа, можно определить по формуле [2]:

Q=Vг ргсрг АТ,

где Уг—объем подаваемого в зону горения газа, м ; рг — плотность газа, кг/м3; срг — удельная теплоемкость газа, ДжДкг-К); АТ — разность температур подаваемого газа и зоны горения, К. Тогда

QF2 = [0,36 м3 • 2,78 кг/м3 • 48 ДжДкг • К) х х 331,5 К] / 22,72 моль = 0,7 кДж/моль.

ф р. = 100 х

= 22,2 % об.

При сравнении концентрации двуокиси углерода и твердой двуокиси углерода видно, что согласно проведенным теоретическим исследованиям концентрация снижается на 6,8%. Это достигается благодаря передаче теплоты из зоны реакции горения на сублимацию твердой двуокиси углерода и нагрев образовавшегося газа. Результаты теоретических исследований показывают, что твердую двуокись углерода можно применять в контейнерах для тушения пожаров с помощью установки пожаротушения стволового типа.

Экспериментальные исследования

Проведенные исследования были направлены на получение экспериментальной зависимости между интенсивностью подачи твердой двуокиси углерода и временем тушения модельного очага. Полученные данные свидетельствуют о возможности выявления эффективности применения данного вещества при тушении пожаров, определения промежутка времени, через который можно будет создать концентрацию газа, делающую невозможным воспламенение, и количества твердой двуокиси углерода, необходимого для этой цели.

Исследования включали в себя два эксперимента.

Эксперимент № 1

В макете помещения 1 (огневая камера), выполненном из асбестовых плит и имеющем внутренние размеры 0,9х0,97х0,75 м, расположена емкость 8 с горючей жидкостью, пламя которой моделирует пожар (рис. 1). Емкость установлена равноудаленно от всех стен макета. По фасаду макет оборудован закрывающимся дверным проемом. Две стенки, расположенные напротив друг друга, имеют застекленные смотровые окна, предназначенные для наблюдения за процессом тушения.

Температура среды в объеме помещения контролируется с помощью двенадцати хромель-алю-мелевых термопар 6, сигналы которых регистрируются мультиметром 7 (БТ-838). Термопары расположены на различных уровнях по высоте и на разных расстояниях по ширине помещения, что позволяет получать более объективные данные изменения температуры в объеме помещения.

т

Таблица 1. Результаты эксперимента № 1

3 2 1

\ \

1

О

"10

8

7

Рис. 1. Общий вид (а) и схема установки (б), используемой в эксперименте № 1:1 — макет помещения; 2 — перекрывающийся вентиляционный канал; 3 — вытяжной зонд; 4 — подвесная платформа; 5 — динамометр; 6 — термопара; 7 — мультиметр (БТ-838); 8 — емкость с горючей жидкостью; 9 — тарная емкость; 10 — электронные весы

Через перекрывающийся вентиляционный канал 2 модель помещения сообщается с принудительной вытяжной вентиляцией (вытяжной зонд 3 ). Установка также оборудована подвесной платформой 4, крепящейся к динамометру 5. Данное устройство позволяет, в случае необходимости, регистрировать массу твердой двуокиси углерода, поданной в процессе тушения. Для подачи твердой двуокиси углерода использовалась тарная емкость 9. Количество подаваемой углекислоты определялось с помощью электронных весов 10 (класс точности 0,0001 кг). Время потухания пламени модельного очага пожара фиксировалось секундомером.

Методика проведения испытания включает следующие процедуры.

В емкость площадью 1010-3, 1510-3 и 2510-3 м3 поочередно заливаются 0,002 м3 горючей жидкости — керосина (р = 800кг/м3, X = 2,1 кДжДкг-К)). Открывается заслонка вытяжной системы вентиляции; воспламеняется керосин в емкости. Двери ог-

№ опыта Масса твердой двуокиси углерода, г Тп ,°С Т °С ^ туш ; ^ ^туш , с

Площадь модельного пожара 10-10 3 м

1 50 49,6 31,5 5

2 45 49,8 30,8 7

3 40 49,1 30,1 8

4 35 49,8 31,2 13

5 30 48,9 31,3 17

6 25 49,8 32,5 24

7 20 50,1 31,1 23

8 15 49,2 31,5 25

9 10 49,7 31,7 34

10 5 48,2 31,9 Отказ

Площадь модельного пожара 15-10 3 м2

11 50 51,8 28,2 7

12 45 50,1 29,4 7

13 40 49,3 28,4 10

14 35 49,2 29,6 15

15 30 48,8 29,7 21

16 25 49,3 31,6 25

17 20 49,9 30,2 27

18 15 49,8 32,8 32

19 10 50,3 31,9 Отказ

20 5 50,2 32,2 Отказ

Площадь модельного пожара 25-10 3 м2

21 50 47,9 29,2 8

22 45 49,2 29,4 9

23 40 49,2 29,6 11

24 35 50,3 29,2 16

25 30 51,8 29,7 20

26 25 50,2 30,4 27

27 20 48,2 30,6 35

28 15 49,1 29,6 Отказ

29 10 48,7 29,1 Отказ

30 5 49,9 30,4 Отказ

невой камеры закрыты. Для достижения установившегося режима горения и выхода кривой сред-необъемной температуры в камере на стационарный режим задается время свободного горения 3 мин. По прошествии этого времени с помощью термопар фиксируется температура в объеме макета — Тп, °С. Результаты эксперимента заносятся в табл. 1.

При проведении эксперимента в стеклянную от-тарированную емкость засыпалось устанавливаемое количество твердой двуокиси углерода, масса

а

б

6

5

4

9

10 20 30 40 50

Масса твердой двуокиси углерода, г

Рис. 2. Зависимость времени тушения модельного очага пожара от массы подаваемой твердой двуокиси углерода (по результатам серии экспериментов № 1) для емкостей площадью, м2: 1 — 0,0010; 2 — 0,0015; 3 — 0,0025

фиксировалась с помощью электронных весов, первоначальная масса составляла 50 г, последующая масса уменьшалась на 5 г. Быстро открывалась дверь огневой камеры и в горящую емкость вбрасывалась твердая двуокись углерода, дверь закрывалась. Фиксировалось время тушения модельного очага пожара т, с. С помощью прибора БТ-838 регистрировались показания температуры внутри камеры на каждой из 12 термопар — Ттуш, °С.

По результатам исследования получены экспериментальные кривые зависимости времени тушения от подаваемой массы твердой двуокиси углерода (рис. 2).

Эксперимент № 2

В модель цилиндрического стального резервуара 1 (рис. 3) заливается нефтепродукт 2, горение которого моделирует пожар. Диаметр резервуара составляет 0,48 м, высота — 0,42 м. В качестве горючего используются дизельное топливо и бензины марок А-76 и АИ-92. Высота сухого борта резервуара — не менее 5 см. Резервуар оборудован сливным краном 6, через который возможен слив нефтепродукта. После выхода горения на стационарный режим (время свободного горения составляет ~ 2-3 мин) для тушения очага подается твердая двуокись углерода.

По верхнему поясу резервуара располагается кольцо орошения 3, позволяющее охлаждать наиболее раскаленные участки борта во время проведения экспериментов. Вода на охлаждение подается из водопроводной сети. Экспериментальная установка располагается под воздухозаборником принудительной вытяжной вентиляции (на схеме не указано).

6

Рис. 3. Общий вид (а) и схема установки (б), используемой в эксперименте № 2: 1 — резервуар; 2 — нефтепродукт; 3 — кольцо орошения; 4 — тарная емкость; 5 — электронные весы; 6 — сливной кран

Для подачи твердой двуокиси углерода используется тарная емкость 4. Количество подаваемого огнетушащего вещества определяется с помощью электронных весов 5. Время потухания пламени модельного очага пожара фиксируется.

Необходимо отметить, что такие нефтепродукты, как бензин и дизельное топливо, являются многофракционными составами. При их горении в первую очередь происходит выгорание легких, низко-кипящих фракций. Таким образом происходят фракционная "разгонка" жидкости и изменение ее фракционного состава. С течением времени массовая скорость выгорания такой жидкости уменьшается. Следовательно, снижается и критическая интенсивность подачи огнетушащего вещества на ее тушение. Поэтому для того, чтобы обеспечить воспроизводимость экспериментов, необходимо через каждые два тушения обновлять нефтепродукт.

Методика проведения испытания включает следующие процедуры.

В модель резервуара поочередно заливается дизельное топливо, бензины А-76 и АИ-92, нефтепродукт воспламеняют. Для достижения установивше-

а

б

4

5

Таблица 2. Результаты эксперимента № 2

Масса твердой двуокиси углерода, г Дизельное топливо Бензин А-76 Бензин АИ-92

№ опыта t с ''туш э ^ № опыта t с ''туш э ^ № опыта t с ''туш э ^

70 1 6 15 3 29 4

65 2 8 16 7 30 6

60 3 13 17 11 31 11

55 4 17 18 16 32 17

50 5 21 19 22 33 19

45 6 23 20 23 34 24

40 7 29 21 27 35 25

35 8 34 22 32 36 32

30 9 41 23 37 37 35

25 10 44 24 39 38 37

20 11 Отказ 25 Отказ 39 40

15 12 Отказ 26 Отказ 40 Отказ

10 13 Отказ 27 Отказ 41 Отказ

5 14 Отказ 28 Отказ 42 Отказ

гося режима горения задается время свободного горения 2 мин.

В стеклянную оттарированную емкость засыпается твердая двуокись углерода, масса фиксируется с помощью электронных весов, первоначально она составляет 70 г, в последующем масса уменьшается на 5 г. В модель резервуара с нефтепродуктом быстро вбрасывается твердая двуокись углерода, фиксируется время тушения tmyш, с. Результаты эксперимента № 2 занесены в табл. 2.

Как и после выполнения эксперимента № 1 построены графики изменения времени тушения в зависимости от массы твердой двуокиси углерода (рис. 4).

На основе результатов экспериментальных исследований определена наименьшая масса огнетушащего вещества, необходимая для прекращения горения условных пожаров. Из графика зависимо-

Рис. 4. Зависимость времени тушения модельного очага пожара от массы подаваемой твердой двуокиси углерода (по результатам серии экспериментов № 2): 1 — дизельное топливо; 2 — бензин А-76; 3 — бензин АИ-92

сти времени тушения модельного очага пожара от массы подаваемой твердой двуокиси углерода видно, что время тушения уменьшается с увеличением массы огнетушащего вещества.

Выводы

1. Теоретические расчеты огнетушащей концентрации твердой двуокиси углерода показывают ее применимость в качестве огнетушащего вещества для тушения пожаров в ограждениях.

2. Эксперименты подтверждают, что твердую двуокись углерода можно эффективно использовать в качестве огнетушащего вещества для ликвидации возгорания как в ограждениях, так и на открытых пространствах. Данное вещество может применяться для тушения всех классов пожаров, за исключением пожаров, связанных с горением металлов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдурагимов, И. М. Процессы горения/И. М. Абдурагимов. — М.: ВИПТШ, 1984. — 383 с.

2. Абдурагимов, И. М. Физико-химические основы развития и тушения пожаров/И. М. Абдурагимов, В. Ю. Говоров, В. Е. Макаров. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980. — 255 с.

3. ГОСТ 12.1.044-89*. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

4. Теребнёв, В. В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений / В. В. Теребнёв. — М.: ПожКнига, 2004. — 248 с.

Поступила в редакцию 16.04.08.