Тушение горючих жидкостей высококипящими хладонами

Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета

УДК 614.841.123.24

ТУШЕНИЕ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ВЫСОКОКИПЯЩИМИ ХЛАДОНАМИ

Рассмотрена модель процесса тушения горючей жидкости хладоном для выявления оптимальных условий процесса тушения. Представлено уравнение материального баланса хладона, подаваемого на тушение горючих жидкостей. Показано, что концентрация огнетушащего состава тем быстрее достигнет огнетушащей, чем больше расход хладона и чем ниже высота зоны горения. Высота зоны горения зависит от массового расхода хладона, капли которого эжектируют в зону горения воздух из окружающей среды. Проведена оптимизация процесса тушения. Показано, что минимальному удельному расходу будет соответствовать оптимальная интенсивность подачи хладона. Приведены показатели эффективности процесса тушения горючих жидкостей. Ключевые слова: хладон; пожаротушение; горючая жидкость; минимальная флегматизиру-ющая концентрация; зона горения.

Тушение пожаров проливов горючих жидкостей (ГЖ) с помощью хладонов относится к объемному способу тушения пламени, хотя интенсивность подачи огнетушащего состава рассчитывается на единицу площади горящей поверхности жидкости. Это промежуточный случай объемно-поверхностного тушения пожара.

Условием потухания пламени горючих жидкостей является создание в зоне горения соответствующей минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора (МФКФ), в нашем случае — хладона.

С 2000 г. особое внимание было привлечено к негативному воздействию хладонов на окружающую среду. С этого момента начинается разработка альтернативных хладонов, характеризующихся более щадящим воздействием на озоновый слой Земли и не обладающих эффектом накопления в окружающей среде. К таким соединениям относятся разработанные в последние годы хладоны: перфторугле-роды 227еа, РБ13™, РБ-36™ и РБ-241™ (компания БиРоп!), а также Коуес 1230 и РРС410 (фирма "3М") (см. таблицу). Компания БиРоп!:, наряду с фирмой

Cemgard, впервые осуществила синтез фторсодер-жащих поверхностно-активных веществ методом низкомолекулярной полимеризации (теломериза-ции)тетрафторэтилена.

Хладон 227ea (другие обозначения — HFC-227ea, FM-200) — это газ без цвета, вкуса и запаха. Химическая формула — перфторпентан C3HF7. Структурная формула показана на рис. 1 [1].

В документах NFPA 2001 и ISO 14520 хладон 227еа зарегистрирован как HFC-227ea, выпускаемый группой компаний DuPont под торговой маркой FM-200.

Огнетушащая концентрация хладона 227еа составляет 7,2 %, предельно допустимая концентрация— 10,5 %.

F, Н Ч А

с с

-П /V F F F F

Рис. 1. Структурная формула хладона 227еа

Параметры влияния хладонов на окружающую среду

Параметр Novec 1230 Хладон 1211 Хладон 1301 Хладон 125 Хладон 227ea

Потенциал озоноразрушения 0 4 12 0 0

Потенциал глобального потепления 1 1890 7140 3500 3220

Время жизни в атмосфере, лет 0,014 16 65 34,2 29

© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., 2014

Хладон №уес 1230 (компания "3М™") иногда называют "сухой водой". Он представляет собой бесцветную прозрачную жидкость со слабовыра-женным запахом, которая не проводит электричество и тяжелее воды в 1,6 раз. Это перфторированный кетон. №уес при комнатной температуре имеет жидкую форму и хранится при низком давлении паров. Обращение с этим веществом и зарядка им систем тушения значительно проще по сравнению с другими хладонами. Коуес 1230 входит в перечень веществ, разрешенных к применению на территории России под наименованием "хладон ФК-5-1-12".

Жидкое исходное состояние Коуес 1230 с температурой кипения 49 °С позволяет применять этот хладон с использованием технологии и оборудования, аналогичных применяемым для наиболее эффективного хладона 114В2, который также является жидкостью с температурой кипения 60 °С. Характеристики Коуес 1230 [2] приведены ниже:

Химическая формула........СР3СР2С(О)СР(СР3)2

Молекулярная масса.....................316,04

Температура кипения

при 1 атм, °С..............................49,2

Температура замерзания, °С...............-108,0

Критическая температура, °С...............168,7

Рассматривая, что происходит с хладоном, подаваемым в зону горения в виде распыленной жидкости, можно наблюдать процесс его испарения до поверхности горящей жидкости, т. е. испарение и накопление хладона происходит в объеме, заключенном в слое высотой Н (рис. 2).

Вместе с продуктами горения и воздухом пары хладона частично утрачиваются за счет уноса их из зоны накопления. Если концентрация хладона в горючей смеси достигла минимального значения, то такая смесь газов будет негорючей и пожар прекратится. Минимальная флегматизирующая концентрация хладона фМФКФ определяется эксперимен-

Хладон

Продукты горения + частично хладон

ГЖ

Рис. 2. Схема подачи хладона при тушении пожара горючей жидкости

тально или рассчитывается для стехиометрической смеси горючих газов.

Рассмотрим модель процесса тушения горючей жидкости хладоном для выявления оптимальных условий тушения ГЖ. Для этого введем некоторые исходные положения этой модели:

1) горение прекращается, если в смеси паров горючего с воздухом концентрация хладона достигает минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора ф = Фмфкф;

2) хладон, поданный на тушение в виде распыленной жидкости, полностью испаряется в слое, ограниченном поверхностью горючей жидкости и видимой зоной горения;

3) распыленная жидкость эжектирует в зону горения воздух, что ведет к увеличению расстояния от поверхности до зоны горения, т. е. чем выше интенсивность подачи хладона, тем больше расстояние от поверхности жидкости до зоны горения;

4) высота зоны горения и количество эжекти-руемого воздуха зависят от размера капель и интенсивности подачи хладона J, что количественно может быть представлено в виде функции Н = Н(У).

Представим уравнение материального баланса хладона, поданного на тушение пламени (см. рис. 2):

О йт = ад ф йт + 50 Н йф,

где О — расход хладона, кг/с;

т — время подачи хладона, с;

50 — площадь горения ГЖ, м2;

и1 — линейная скорость движения газовой смеси с хладоном, м/с;

ф — концентрация хладона, кг/м3;

Н — высота зоны горения, м.

Левая часть уравнения (1) характеризует количество хладона, поданного в зону горения, правая — суммарное количество хладона, не попавшего в зону (т. е. пары хладона частично утрачены за счет уноса из зоны горения) и накопленного в зоне горения.

Введем начальные условия и решим уравнение материального баланса при т = 0; 5 =0.

Тушение пламени произойдет в момент времени, к которому концентрация хладона в слое достигнет МФКФ, т. е. ф = фМФКФ при т = тт (где тт — время тушения ГЖ).

Разделим переменные и проинтегрируем уравнение

(О - 5 0 и\ ф) йт = 5 0 Н й ф;

й ф

О - 50и, ф

68

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №5

Отсюда получим зависимость ф от т:

Ф =

5 0 и,

тК \

1 - I

Из формулы (4) следует, что концентрация огнетушащего состава тем быстрее достигнет огнету-шащей, чем больше расход хладона и чем ниже высота зоны горения.

Если ф = Фмфкф, то т = тт и получаем формулу для расчета времени тушения:

Т т = — 1П Г_Я_

и1 у с - и1 Ф мфкф

Обозначим через J0 интенсивность подачи в зону горения, равную 0:

Jo = VI Фмфкф;

J = С/50.

В соответствии с формулой (5) при интенсивности подачи J = J0 тушение может быть не достигнуто: тт ^ да. Условие J = J0 означает, что интенсивность подачи хладона практически равна его потерям, поэтому создаются условия, называемые критическими ^ = J0 = Jкр), т. е. при J = Jкр тушения достичь не удастся.

Запишем зависимость времени тушения от интенсивности подачи хладона:

т т = — 1п [ —

т и, I J - J_

Ранее расчет Jкр = Jmin проводился с учетом флегматизирующей концентрации хладона и его относительного содержания в горючей смеси по сравнению с горючим газом. Запишем относительное количество хладона Кр в нашей системе:

ФрМр

Кр =

Фг Мг

где фр, фг — объемные концентрации соответственно хладона и горючего газа во флегматизиро-ванной смеси;

Мр , Мг — молекулярная масса соответственно хладона и горючего газа.

Критическую интенсивность определим по формуле

т' Фр МР

кр = ит К = ит

Ф г Мг

где и'т — массовая скорость выгорания ГЖ, кг/(м2-с).

Следовательно, величину Jкр можно рассчитать до проведения экспериментов, если известна удельная массовая скорость выгорания жидкости.

Упростим выражение (5), представив логарифм дроби первым членом степенного ряда, т. е.

х -1

1п X = 2

х +1

ФР к

J - J,

кр

Для графического анализа результатов эксперимента формулу (11) удобно представить в линеаризованном виде:

J к

1

кр

3

кфр кфр

Построив график зависимости 1/тт от J [3], экстраполяцией прямой до пересечения с осью абсцисс можно получить отрезок, равный Jкр, а по наклону прямой можно оценить эффективную высоту зоны горения (рис. 3).

Высота зоны горения к (см. рис. 1) зависит от массового расхода хладона, капли которого эжекти-руют в зону горения воздух из окружающей среды. Чем больше расход хладона, тем выше зона горения. Представим эту зависимость линейным соотношением

к = к0 + Р J,

где к0 — высота зоны горения до начала тушения; Р — коэффициент пропорциональности, величина которого определяется эжектирующим действием капель хладона, или коэффициент эжек-ции, м3-с/кг.

Подставим выражение для к из формулы (13) в основное соотношение для времени тушения (11) и получим:

т Фр

(J - J )(к0 +Р J)'

Этой формулой следует пользоваться при J » Jкр.

Проведем оптимизацию процесса тушения. Оптимальным будем считать такой процесс, при котором расход на тушение С огнетушащего состава окажется минимальным. Минимальному удельному расходу будет соответствовать оптимальная интенсивность подачи хладона.

У, кг/

Рис. 3. Зависимость времени тушения пламени от интенсивности подачи хладона

т т =

Найдем параметр G и приравняем производную dG/dJ к нулю:

J

G = J тт =

dG

(J - Jкр)(h0 +ßJ)' J

dJ

= 0.

После дифференцирования и алгебраических преобразований получим:

J = 27 J

^опт ' ^кр-

Подставив 3 = 3опт в формулу (15), получим выражение для определения От!п:

(G )J=J^ = G min = 3,7

Оценим количество ОтЬ при тушении хладоном 114В2 гептана в розливе (диаметр зеркала й « 2 м; высота зоны горения Н0 « й= 2м;ф^ =0,31кг/м3[2]):

От;п = 3,7 • 0,31 • 2 = 2,3 кг/м2.

Оптимальная интенсивность подачи хладона , ф^ MF

J = 2 7U

° опт ' ^т

ф г M г

Зависимость удельного расхода хладона от интенсивности его подачи будет иметь минимум при 3= 3опт[3] (рис. 4).

Одним из параметров процесса тушения, характеризующим огнетушащую эффективность средства тушения, является удельный расход хладона на тушение единицы площади горящей поверхности. Если взять величину, обратную О, т. е. 1/О, то этот показатель будет характеризовать огнетушащую способность 1 кг хладона на единицу площади поверхности:

По =1/ОтШ.

и ft га

Ï

р. «

а

и

с

О £

№ и

В р

U

е

<я

s

g

Интенсивность подачи, кг/

Рис. 4. Зависимость времени тушения тт, удельного расхода огнетушащего состава О и показателей эффективности процесса тушения ПО и Пэт от интенсивности подачи средства тушения 3

Разделив этот показатель на время тушения, получим более сложный показатель огнетушащей эффективности Пэт:

1/О = 1

ПЭт =

Jt2

Эти параметры могут служить количественной характеристикой эффективности процесса тушения ГЖ хладонами.

Физический смысл параметра Пэт состоит в том, что скорость тушения единицы площади горящей поверхности 1 кг огнетушащего вещества при заданной интенсивности его подачи будет максимальной. Зависимость Пэт от интенсивности проходит через максимум, что позволяет выбрать другую оптимальную величину интенсивности, при которой удельная скорость тушения будет максимальной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кашолкин Б. И., Мешалкин Е. А. Тушение пожаров в электроустановках. — М. : Энергоатом-издат, 1985.— С. 17.

2. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник: в 2 ч. —2-еизд.,перераб. и доп. —М.: Пожнаука, 2004. —Ч. I. — С. 119.

3. Баратов А. Н., Андрианов Р. А., Корольченко А. Я., Михайлов Д. С., Ушков В. А., Филин Л. Г. Пожарная опасность строительных материалов. — М. : Стройиздат, 1988.

Материал поступил в редакцию 20 февраля 2014 г.

— English

COMBUSTIBLE LIQUIDS SUPPRESSION WITH HIGH-BOILING HALONS

KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

70

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 TOM 23 №5

SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

ABSTRACT

The current research considers the model of combustible liquids suppression with halon in order to detect the most appropriate conditions for fire-extinguishing process. It offers a material balance equation of halon supplied to suppress combustible liquids. It also demonstrates that the more halon is consumed and the smaller is the burning zone height, the faster fire-extinguishing composition reaches fire-extinguishing concentration. The burning zone height depends on mass consumption of halon, the drops of which eject air out from the environment into the burning zone. As a part of research, the fire-extinguishing process was optimized. There is shown that the minimal specific consumption equals optimal supply rate of halon in the article. It also provides efficiency indexes of combustible liquids suppression.

Keywords: halon; fire-extinguishing; combustible liquid; minimal phlegmatizing concentration; burning zone.

REFERENCES

1. Kasholkin B. I., Meshalkin Ye. A. Tusheniye pozharov v elektroustanovkakh [Fire extinguishing in electrical installations]. Moscow, Energoatomizdat, 1985, p. 17.

2. Korol'chenko A. Ya., Korol'chenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik. 2-e izd. [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting. Reference. 2nd ed.]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004, part I, p. 119.

3. Baratov A. N., Andrianov R. A., Korol'chenko A. Ya., Mikhaylov D. S., Ushkov V. A., Filin L. G. Pozhar-naya opasnost stroitelnykh m aterialov [Fire hazard of construction materials]. Moscow, Stroyizdat, 1988.

Издательство «П0ЖНАУКА»

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГОРИРОВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. Ма примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru