ОГНЕТУШАЩАЯ СУСПЕНЗИЯ
FIRE EXTINGUISHING SUSPENSION

Изобретение относится к огнетушащим суспензиям на основе воды с углеродосодержащими наноструктурами и предназначено для тушения пожаров класса «В» (горение жидких и легковоспламеняющихся веществ). Огнетушащая суспензия представляет собой коллоидный раствор на водной основе, в котором наночастицы - многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) имеют размер от 30÷150 нм. При этом объемное содержание МУНТ в огнетушащей суспензии составляет 0,5÷1,0 об. %. Предложенное изобретение позволяет существенно снизить количество подаваемого в очаг пожара огнетушащего состава, за счет интенсификации теплообмена при испарении капель суспензий в зоне горения паров жидких углеводородов и предоставляет возможность использования в модульных установках и первичных средствах пожаротушения.
Известны суспензии на основе воды с добавками различного назначения для тушения пожаров.
Известна минерально-водяная суспензия (патент RU 2098158, опубликован 10.12.1997), включающая глину и воду, отличающаяся тем, что суспензия дополнительно содержит жидкое стекло при следующем соотношении компонентов (жидкое стекло 7÷6% масс.; глина 13÷72% масс.; вода 20÷80% масс.). Данная суспензия обладает высокой огнетушащей эффективностью, однако требует большого процентного количества твердого вещества, что в свою очередь, исключает возможность использования в стандартном пожарно-техническом оборудовании, применяющегося для тушения пожаров класса «В».
Известен огнегасительный состав (патент RU 2207894, опубликован 10.07.2003), в котором описана огнетушащая суспензия, которая содержит минеральную основу, органическую жидкость и диспергирующую добавку - лецитин. В качестве минеральной основы могут выступать сульфат аммония, диаммонийфосфат и др. В качестве органической жидкости она содержит, по крайней мере, один из ряда: дихлортетрафторэтан, дибромтетрафторэтан или их смеси.
Недостатком данного состава является наличие канцерогена в состав органической жидкости. Дифтордихлорметан и его производные обладают высокой озоноразрушающей активностью. Поэтому его производство и использование ограничено.
Известен огнегасительный состав (патент RU 2414273, опубликован 20.03.2011), который включает карбонатный материал, присутствующий в тонко измельченном или кристаллическом/осажденном виде (размером частиц менее 0,5 мм) в смеси с водной средой-носителем, предпочтительно, в виде гомогенной дисперсии. Карбонатный материал получают из известняка, мрамора, ракушечного песка, доломита или из отложений углекислого натрия.
Недостатком известного состава является склонность к слеживанию карбонатного материала.
Известен огнетушащий состав на основе раствора (смеси) хлорсиланов (патент RU 2504414, опубликован 20.01.2014). Применение хлорсиланов позволяет достигнуть эффект тушения сразу по нескольким направлениям, при этом будут реализованы практически все известные способы тушения. Но следует отметить, что недостатком данного состава является сложность удаления с поверхностей после пожара остатков огнетушащего состава и сложность применения в сочетании с традиционно применяющимся огнетушащим веществом - водой.
Задачей, решаемой патентуемым изобретением, является интенсификация процессов теплообмена и парообразования в зоне пламенного горения нефтепродуктов путем подачи распыленных капель суспензии воды в сочетании с относительно малыми концентрациями МУНТ.
Технический результат достигается за счет повышения теплопроводности капель суспензии и увеличения теплоемкости в момент перехода из жидкого в парообразное состояние с последующим охлаждением зоны горения.
С этой целью предлагается наномодификация форм огнетушащих веществ, получаемых в результате диспергирования наночастиц в водосодержащем составе. В качестве модифицирующей добавке используются МУНТ в виде наноразмерных частиц в технической воде во взвешенном состоянии. При этом оптимальное содержание МУНТ в огнетушащем составе составляет 0,5÷1,0 об. % от общего количества огнетушащего вещества.
2
МУНТ представляют собой протяженные углеродные наноструктуры с диаметром 30÷150 нм, длиной 1÷3 мкм и удельной площадью поверхности 80-150 г/м [1].
Огнетушащую суспензию получают путем диспергирования МУНТ в технической воде при воздействии источника ультразвука с мощностью 1,2 кВт, частотой 50-60 кГц.
В качестве средств пожаротушения могут использоваться огнетушители, ранцевые установки пожаротушения, стационарные установки пожаротушения.
Суспензия воды с МУНТ обладает высокой теплопроводностью, термической стойкостью, высокой удельной теплотой парообразования в сравнении с обычной водой и растворами пенообразователей.
Характерным свойством суспензии является то, что:
- в качестве огнетушащего состава предлагается использовать каллоидный раствор;
- относительно малая концентрация МУНТ в огнетушащем составе;
- вызывает интенсивное охлаждение зоны горения за счет быстрого испарения капель огнетушащего состава;
- высокая термическая стойкость МУНТ в условиях горения жидких углеводородов;
- более интенсивное парообразование в зоне горения в сравнении с водой;
- безопасность для окружающей среды.
Основными физическими параметрами, оказывающими существенное влияние на эффективность применения суспензий в качестве огнетушащего состава, являются:
- коэффициент поверхностного натяжения;
- удельная теплота парообразования;
- теплопроводность;
Снижение коэффициента поверхностного натяжения способствует более эффективному распылу их в приповерхностном слое горящей жидкости.
Значительное увеличение теплопроводности приводит к более интенсивному испарению капельных потоков в зоне горения. Высокое значение удельной теплоты парообразования способствует интенсивному разбавлению продуктов горения, что способствует прекращению горения.
Результаты исследования физико-химических свойств и огнетушащих характеристик при тушении суспензиями представлены в таблице 1 и таблице 2.
Для определения огнетушащих характеристик был проведен ряд экспериментов по тушению модельного очага пожара класса «В» диаметром 450 мм. В качестве горючей жидкости использовали смесь автомобильного бензина с октановым числом 95 и вода в пропорции 7:3. Время свободного горения жидкого углеводорода составляло не менее 60 с. Время тушения фиксировалось в момент полной ликвидации горения. Во всех случаях при тушении суспензией наблюдалось полное прекращение горения.
Огнетушащий эффект достигается за счет снижения температуры пламенного горения до температуры потухания, при которой не происходило достаточного выделения количества паров горящей жидкости, необходимых для дальнейшего продолжения горения. Это объясняется тем, что при попадании в область горения капель суспензии происходит интенсивный разогрев до температуры кипения, с последующим испарением и охлаждением зоны горения.
На фигуре 1 показана зависимость времени прекращения горения от концентрации МУНТ в суспензии при тушении распыленной струей горящих жидких углеводородов. В ходе испытаний установлено, что при увеличении концентрации МУНТ в технической воде от 0 до 1,0 об. % время прекращения горения уменьшается на 70-80%, а при дальнейшем увеличении концентрации - увеличивается. Увеличение времени пожаротушения с концентрацией МУНТ более 1,0 об. % связано с интенсивной агрегацией, которая влечет за собой ухудшение огнетушащих характеристик.
Повышение огнетушащей эффективности суспензии с достигается при концентрации МУНТ (0,5÷1,0) за счет интенсификации процессов теплообмена в зоне горения.
Огнетушащие характеристики, полученные экспериментальном путем, показали высокую эффективность суспензий воды с углеродными нанокомпонентами, при их использовании время пожаротушения снизилось в среднем в 4 раза.
Таким образом, при тушении горящих жидких углеводородов реализуется:
- сокращение времени, необходимого на локализацию пожара и его последующую ликвидацию, в том числе и при наличии скрытых очагов тлеющего горения;
- исключение каких-либо технологических операций по приведению его в рабочее состояние;
- отсутствие ограничений по способу подачи к очагу пожара.
С учетом того, что оперативный личный состав, непосредственно участвующий в тушении пожара или возгорания, имеет спецодежду и средства защиты органов дыхания, предлагаемый нами состав можно применять в установках носимого (ранцевого) типа.
Литература
1. Бобринецкий И.И., Неволин В.К., Симунин М.М. Технология производства углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза этанола из газовой фазы // Химическая технология. - 2007. - Т. 8. - №. 2. - С. 58-62.