Универсальность механизмов тушения пламени различными огнетушащими веществами

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

А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета

УДК 614.84.664

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ МЕХАНИЗМОВ ТУШЕНИЯ ПЛАМЕНИ РАЗЛИЧНЫМИ ОГНЕТУШАЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Показан двойственный универсальный механизм тушения пламени различными огнетушащи-ми веществами. Определено, что оптимальная интенсивность подачи огнетушащего состава при тушении пламени определяется анализом экспериментальной зависимости времени тушения и удельного расхода вещества на единицу площади от интенсивности его подачи. Выявлено, что зависимость удельного расхода от интенсивности подачи огнетушащего вещества имеет экстремальный характер с четко выраженным минимумом. Установлено, что этот эффект связан с возникновением сопутствующего процесса, который сопровождает основной, и зависит от количества огнетушащего вещества или от интенсивности его подачи в зону горения. Показано, что сопутствующий эффект препятствует огнетушащему действию основного процесса, поскольку проявляется в эжектировании кислорода воздуха в зону горения.

Ключевые слова: универсальный механизм тушения пламени; сопутствующий эффект; интенсивность подачи огнетушащего вещества.

В работах [1,2] обнаружена экстремальная зависимость удельного расхода огнетушащего вещества (ОТВ) Q, используемого при тушении пламени, от интенсивности его подачи J. Высказано также предположение, что такой вид связи между удельным расходом и интенсивностью подачи, возможно, имеет место при тушении пламени различными ОТВ. Графическая иллюстрация экстремальной зависимости удельного расхода от интенсивности подачи ОТВ приведена в работах [2-5]. Анализ литературы подтвердил существование этой закономерности при тушении пламени древесины и резинотехнических материалов, а также нефтепродуктов пеной, причем эта закономерность сохраняется для пен, которые подаются в основание резервуара и на поверхность горящей жидкости [6, 7].

Авторами сделана попытка ответить на вопросы: что общего в механизме тушащего действия различных огнетушащих веществ, включая распыленную воду, фреоны, порошки, аэрозоли и пены, в различных случаях их применения; по какой причине возникает экстремальная зависимость между удельным расходом и интенсивностью подачи вещества? Важность этих вопросов связана с возможностью путем математических преобразований представлений о модели процесса тушения пожара конкретными веществами выявить оптимальную интенсивность подачи и минимальный удельный расход ОТВ.

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

Огнетушащую эффективность (способность) средств и способов тушения оценивают по минимальному удельному расходу ОТВ О. Чем меньше величина О, тем эффективнее средство и способ пожаротушения. Обычно минимальный удельный расход Qmin для каждого средства и способа достигается при оптимальных условиях, которые определяются по зависимости времени тушения от интенсивности подачи ОТВ (например, пены).

Оптимальная интенсивность подачи огнетушащего состава при тушении пламени определяется анализом экспериментальной зависимости времени тушения и удельного расхода вещества на единицу площади тушения от интенсивности его подачи. Зависимость удельного расхода от интенсивности подачи огнетушащего вещества имеет экстремальный характер с четко выраженным минимумом.

Экспериментально установлено, что по мере повышения интенсивности подачи распыленной воды или высококипящих фреонов время тушения сильно сокращается [5, 8, 9], но после достижения некоторой величины интенсивности оно перестает уменьшаться и остается практически постоянным. Систематически проводившиеся экспериментальные исследования зависимости времени тушения от интенсивности подачи огнетушащего вещества подтвердили наличие экстремальной зависимости удельного расхода вещества от интенсивности его

подачи для всех испытанных ОТВ. Этот эффект связан с возникновением сопутствующего процесса, который сопровождает основной, и зависит от количества огнетушащего вещества или от интенсивности его подачи в зону горения. Сопутствующий эффект возникает только при реализации основного процесса, который определяется количеством вещества, подаваемого на тушение пламени в единицу времени. Сопутствующий эффект препятствует огнетушащему действию основного процесса, обусловленного превращениями огнетушащего вещества, подаваемого в зону горения, и ведет к его необоснованным потерям.

При тушении пламени распыленной водой, порошками, фреонами или аэрозолями сопутствующий эффект нагнетает, т. е. эжектирует, в зону горения дополнительное количество кислорода воздуха. В результате пламя начинает хаотично разгораться, из-за чего процесс тушения затрудняется и, как следствие, площадь зоны горения увеличивается. В этих условиях для обеспечения тушащей концентрации необходимо введение дополнительного количества огнетушащего вещества. Для иллюстрации этого эффекта на рис. 1 представлены фрагменты процесса воздействия распыленной струи воды на пламя нефтепродукта.

В связи с направленностью основного и сопутствующего факторов в противоположные стороны возникает ситуация, при которой потери ОТВ становятся минимальными. В этом случае удельный расход огнетушащего состава также будет минимальным. По этому признаку соответствующая минимальному удельному расходу интенсивность подачи ОТВ принимается оптимальной.

Как и в случае применения распыленной воды, сопутствующее действие при тушении горючих жидкостей пеной, например, в резервуарах проявляется в увеличении толщины тушащего слоя выше оптимального, а в системе подачи пены в основание резервуара — в возбуждении встречного движения поверхностного слоя горючего к пене и повышении уровня жидкости в месте ее выхода.

Наиболее наглядно эффект эжекции струей распыленной воды проявился в ходе разработки генератора пены высокой кратности. Так, при расходе водного раствора через распылитель генератора 1 л/с получена пена кратностью 700, т. е. объем эжекти-руемого (вовлекаемого) воздуха составил 700 л на 1 л распыленного раствора.

Эффект увлечения воздуха распыленной струей жидкости представляет собой явление, сопутствующее основному действию огнетушащего вещества — съему тепла из зоны горения. По существу, одновременно протекают два процесса: первый — съем тепла, собственно тушение, а второй — повышение температуры в зоне горения и увеличение площади зоны тушения. Чем выше расход огнетушащего вещества, тем больше значимость второго фактора. Оптимальный режим тушения, при котором удельный расход вещества на тушение пламени минимален, определяется соотношением вклада эжекции воздуха и расхода тушащего вещества.

Тушение пламени газовыми, порошковыми, аэрозольными составами и распыленной водой целиком базируется на этой теории. Хотя решение задачи снижения температуры пламени и уменьшения скорости тепловыделения в зоне горения достигается разными способами в зависимости от физических свойств огнетушащего состава, используемого для тушения пожара, во всех случаях возникает сопутствующий эффект, осложняющий процесс тушения пламени.

Наглядно возникновение сопутствующего фактора — увлечения в зону горения дополнительного объема кислорода воздуха — можно проследить на процессе тушения пламени газами и дисперсными системами, такими как распыленная вода, жидкие хладоны, порошки и аэрозоли.

При тушении пламени пеной в зависимости от способа подачи на горящую поверхность сопутствующий фактор проявляется, например, при под-слойной подаче пены в увлечении к поверхности массы горючего, что вызывает локальное повышение уровня горящей жидкости и возбуждение дви-

Рис. 1. Фрагменты процесса тушения пламени нефтепродукта распыленной водной струей: а — горение; б — формирование распыленной струи воды; в — подача воды в зону горения; г — тушение пламени

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №11

85

жения поверхностного слоя нефтепродукта навстречу растекающейся пене.

Признаком общности процесса тушения пламени огнетушащими веществами, при использовании которых возникает сопутствующий фактор, является наличие минимума на выявленной экспериментально зависимости удельного расхода от интенсивности подачи вещества. Эта зависимость получена на базе кривых, показывающих влияние интенсивности подачи ОТВ на время тушения пламени. На рис. 2-6 представлены результаты экспериментальных измерений процесса тушения пламени различными веществами, которые демонстрируют общий характер выявленного в экспериментах двойственного механизма процесса тушения пламени огнетушащими веществами [1].

На рис. 3-6 для каждого вида ОТВ приведены по две кривых, первая из которых, полученная экспериментально, показывает время тушения, а вторая — удельный расход вещества на тушение площади горящей поверхности. Характерным для всех диаграмм является наличие экстремальной зависимости удельного расхода от интенсивности подачи огне-тушащего вещества. Наличие минимума на кривых Q - Jуказывает на то, что для всех испытанных веществ существует оптимальная интенсивность, при которой процесс тушения проходит с минимальным расходом ОТВ, но, главное, что механизм огнетуша-щего действия основан на одной закономерности — двойственном механизме действия огнетушащих веществ.

Эффект влияния на процесс тушения, а именно расширение зоны горения, наглядно демонстрируется на примере применения распыленной воды (см. рис. 1,в): факел пламени в первый момент подачи ОТВ увеличивается за счет дополнительного притока кислорода воздуха. Если целевое действие распыленной воды будет успешным и тепло зоны

1200

1000

I

ев

800

600

400

200

25 50 75 100 125

Интенсивность, г/

Рис. 2. Зависимость удельного расхода порошка солей №ЫС03 (1) и КНСО3 (2) от интенсивности его подачи при тушении пламени бензина

горения будет поглощено испаряющимися каплями воды, то горение прекратится.

Особого внимания требует поведение сжатых струй огнетушащих веществ, включая традиционные водные струи различной степени распыла, порошковые струи под давлением, струи аэрозольного происхождения, флегматизаторы — хладоны с низкой температурой кипения и, наконец, направ-

250

200

150

100

л И

50

\ ♦ 1 \ \ 1 \ \

6 \ \ \ \

А \ \ 4 \ \ ч -0-7

ц |\ >А 2 А- / 1

'Л О" * 0

1

I £

в. «

а № Л

5 £

0,05 0,10 0,15 0,20 Интенсивность, кг/

0,25

Рис. 3. Зависимость времени тушения пламени углеводородов (-) и удельного расхода (----) от интенсивности

подачи распыленной воды с добавками ПАВ: 1 — вторичные алкилсульфаты натрия; 2 — ПОФ-9

300

240

и Р. Я

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Интенсивность, кг/

0,35

Рис. 4. Зависимость времени полного тушения штабеля резины от интенсивности подачи огнетушащих составов: 1 — вода; 2 — ПО-3А

300 250 200 150

о, 100 ffl

50

1

II 1 1 1 1 1 1 1 ! 1

"3 \\ , / \ У У у у

V \\\ х \ \ /

X 4 о

50 45

40 <ч

И

35 Е

I

о и

л

«

£

30 25 20 15 10 5 О

О 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Интенсивность, кгДм^с)

Рис. 5. Зависимость времени полного тушения штабеля резины (-) и удельного расхода огнетушащих составов

(----) от интенсивности их подачи: 1 — вода; 2 — ПО-3А

ленные струи сжатого инертного газа и химически активных ингибиторов.

Итак, моментом, объединяющим перечисленные выше огнетушащие средства, является вовлечение больших масс воздуха, сопутствующее их применению. В зависимости от условий применения и конструкции подающих устройств количество вовлеченного воздуха может увеличиться от 50 до 800 раз относительно распыленной жидкости. Это явление может быть использовано целенаправленно, напри-

180 160 140 120

S юо

Он

PQ 60

40 20

и Ii t

ч Ii « / y s >

4 1 2\ 1 1 l\ y y 1

1 1 \ n\ > y / r y \

1 1 \] У y S ✓ У y \

3 ! к—

4,0

3,5 3,0

If

2,5

I

2,0 &

1,5 g

5

£ 1,0 ^

0,5

0 0,05 0,10

Интенсивность, кг/

Рис. 6. Типичная зависимость времени тушения пламени гептана

мер для получения пены высокой кратности из распыленного раствора пенообразователя в генераторах пены и в устройствах для осаждения дыма. Однако это может привести к потере эффективности ОТВ при попадании вовлеченного кислорода воздуха вместе с флегматизаторами, порошками и аэрозольными струями огнетушащих компонентов в зону горения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ШрайберГ., Порет П. Огнетушащие средства. Химико-физические процессы при горении и тушении. — М. : Стройиздат, 1975. — 240 с.

Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник:в2ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. I. — 713 с. Корольченко А. Я., Навценя В. Ю. Влияние инертных частиц на нижний концентрационный предел распространения пламени // Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в промышленности. — М. : ВНИИПО, 1987. — С. 17.

Sharovarnikov A. F., Korol'chenko D. A. Fighting fires of carbon dioxide in the closed buildings // Applied Mechanics and Materials.—2014.—Vol. 475-476.—P. 1344-1350. doi: 10.4028/www.scien-tific.net/AMM.475-476.1344.

Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Тушение горючих жидкостей высококипящими хладо-нами // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — T. 23, № 5. — C. 67-71. Шароварников С. А., Корольченко Д. А., Ляпин А. В. Тушение многокомпонентных смесевых топлив фторсинтетическими пенообразователями подслойным способом // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — T. 23, № 6. — C. 76-80.

Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Основные параметры процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной низкой кратности // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 7. — С. 65-73.

Шароварников А. Ф., Корольченко Д. А. Тушение горючих жидкостей распыленной водой // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. — T. 22, № 11. — С. 70-74.

Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Тушение пламени огнетушащими порошками и аэрозольными составами // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — T. 23, № 8. — C. 63-68.

Материал поступил в редакцию 10 сентября 2014 г.

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №11

87

UNIVERSALITY OF MECHANISMS OF FIRE SUPPRESSION BY VARIOUS EXTINGUISHING AGENTS

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

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

ABSTRACT

The dual universal mechanism of fire suppression by various fire extinguishing agents is shown. It is determined that optimum delivery rate of fire extinguishing agent is defined by analysis of experimental dependence of suppression time and specific consumption of substance per unit area on its delivery rate. It is revealed that dependence of specific consumption on delivery rate of extinguishing agent has an extreme character with clearly defined minimum. It is established that this effect is connected with occurrence of concomitant process, which accompanies the main, and depends on the quantity of fire extinguishing agent or on its delivery rate into a burning zone. It is shown that the concomitant effect prevents an extinguishing action of the main process as it is shown in ejection of oxygen into a burning zone.

Keywords: universal mechanism of fire suppression; concomitant effect; delivery rate of extinguishing agent.

REFERENCES

1. Schreiber G., Porst P. Ognetushashchiye sredstva. Khimiko-fizicheskiyeprotsessyprigorenii i tushenii [Fire extinguishing agents. Chemical and physical processes while burning and suppression]. Moscow, Stroyizdat, 1975. 240 p.

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, 713 p.

3. Korol'chenko A. Ya., Navtsenya V. Yu. Vliyaniye inertnykh chastits na nizhniy kontsentratsionnyy predel rasprostraneniya plameni [Influence of inert particles on the lower concentration limit of distribution of a flame]. Pozharnaya opasnost veshchestv i materialov, primenyayemykh vpromysh-lennosti [Fire hazard of substances and materials used in industry]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, 1987, p. 17.

4. Sharovarnikov A. F., Korol'chenko D. A. Fighting fires of carbon dioxide in the closed buildings. Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 475-476, pp. 1344-1350. doi: 10.4028/www.scientific.net/ AMM.475-476.1344.

5. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tusheniye goryuchikhzhidkostey vysokokipyashchimikhla-donami [Combustible liquids suppression with high-boiling halons]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 5, pp. 67-71.

6. Sharovarnikov S. A., Korol'chenko D. A., Lyapin A. V. Tusheniye mnogokomponentnykh smesevykh topliv ftorsinteticheskimi penoobrazovatelyami podsloynym sposobom [Extinguishing of the multi-component composite fuels by aqueous film forming foam by sublayer way]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 6, pp. 76-80.

7. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Osnovnyye parametry protsessa tusheniya plameni neftepro-duktov penoy nizkoy kratnosti [Main parameters of extinguishing of the oil flame by low expansion foam]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 7, pp. 65-73.

8. Sharovarnikov A. F., Korol'chenko D. A. Tusheniye goryuchikhzhidkostey raspylennoy vodoy [Extinguishing of combustible liquid by atomized water]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 22, no. 11, pp. 70-74.

9. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tusheniye plameni ognetushashchimi poroshkami i aerozol-nymi sostavami [Extinguishing of a flame by dry chemical powders and aerosol compositions]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 8, pp. 63-68.