Тушение многокомпонентных смесевых топлив фторсинтетическими пенообразователями подслойным способом

С. А. ШАРОВАРНИКОВ, канд. техн. наук, научный консультант ООО НПО "Актив-Альянс"

А. В. ЛЯПИН, канд. техн. наук, директор Научно-исследовательского института экспертизы и инжиниринга Московского государственного строительного университета

УДК 614.84.664

ТУШЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ ФТОРСИНТЕТИЧЕСКИМИ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯМИ ПОДСЛОЙНЫМ СПОСОБОМ

Показано, что для тушения смесевых топлив можно тушить подслойным способом, но при использовании пенообразователей, в состав которых, наряду с фторированными стабилизаторами, входят полимерные компоненты. Даны результаты исследований в лабораторных условиях по выявлению оптимальной концентрации пенообразователя с полимерным компонентом при подслойном тушении смесевых топлив. Установлено, что концентрация пенообразователя в водном растворе сильно влияет и на время тушения, и на удельный расход пены. Установлено также, что термическая устойчивость пены растет пропорционально концентрации полимерного компонента. В результате исследований предложен механизм формирования пенного слоя при подслойном тушении смесевых топлив.

Ключевые слова: пожаротушение; подслойный способ тушения; смесевые топлива; пенообразователь; полимерный компонент; фторированные поверхностно-активные вещества.

Смесевые топлива, в состав которых входят спирты, а также бензины "экстра", АИ-95 и АИ-98 не могут быть потушены способами и пенообразователями, используемыми для тушения обычных бензинов и углеводородов. Тушение смесевых топлив требует применения особых пенообразователей.

По мере освоения менее опасных для окружающей среды автомобильных топлив, таких как бензин с добавками спиртов, актуальной становится проблема обеспечения пожарной безопасности резервуаров со смесевыми топливами. В экологическом аспекте смесевые топлива имеют явное преимущество перед бензином, поскольку не загрязняют атмосферу тяжелыми металлами и выделяют минимальное количество оксида углерода. Содержание спирта в смесевых топливах достигает 20 % масс.

Способ тушения пожаров в резервуарах, при котором низкократную пену подают в основание ре-зервуара—непосредственно в слой горючего [1-3], очень удобен в реализации. Предварительные исследования показали принципиальную возможность применения подслойного способа для тушения пламени смесевых топлив, но при условии использования особых рецептур пенообразователей, в состав которых, наряду с фторированными стабилизаторами, входят полимерные компоненты. При контакте пены со смесевым топливом полимер об-

разует твердую разделительную пленку на поверхности горючего и тем самым обеспечивает устойчивость пены.

В лабораторных условиях были проведены исследования по выявлению оптимальной концентрации пенообразователя с полимерным компонентом при подслойном тушении смесевых топлив.

В лабораторную установку одновременно с пеной подавали воздух, который приводил к непрерывному перемешиванию жидкости внутри горелки. Это позволяло постоянно обновлять поверхностный слой на границе с пеной. Эксперименты проводились с использованием пенообразователя, который, наряду с фторированными поверхностно-активными веществами, содержал полимерный компонент — полисахарид.

Экспериментально на стендовой установке было определено время тушения пламени при различной интенсивности подачи пены, а также расход пены, затрачиваемой на тушение единицы площади поверхности.

Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графиков зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены (рис. 1).

Как видно из рис. 1, кривые имеют традиционный вид гипербол, левая часть которых круто поднимается в область больших значений времен при

© Шароварников С. А., Корольченко Д. А., ЛяпинА. В., 2014

0,05 0,10

Интенсивность, кг/

0,15

Рис. 1. Зависимость времени тушения смесевого топлива с содержанием полярных растворителей 0 % (71), 10 % (Г2). 20 % (Г3), 30 % (74) и расхода 6 %-ного водного раствора пенообразователя ФС-600 Q2, 23, Q4) от интенсивности подачи пены

определенной интенсивности подачи пены. Эта интенсивность называется критической, поскольку тушение может произойти только теоретически и за бесконечно большой отрезок времени. В этом случае скорость разрушения пены практически равна скорости ее подачи. По мере повышения интенсивности подачи пены время тушения пламени снижается, но, достигнув определенной величины, остается далее практически неизменной. Это объясняется, с одной стороны, высокой вязкостью пены, а с другой — низкой сдвиговой прочностью пенной структуры. Поэтому при сильном нажиме на слой пены происходит движение массы вверх, а не вперед. При высокой интенсивности увеличивается средняя толщина слоя, т. е. часть пены расходуется бесполезно. Пена, вместо того чтобы продвигаться вперед, начинает резко увеличивать свою толщину в месте ее подачи. Поэтому кривые расхода пены, также определенные в эксперименте, имеют экстремальный характер — минимум при некоторой интенсивности. Удельный расход нарастает, т. е. затраты пены становятся больше, несмотря на повышение интенсивности ее подачи. Особыми свойствами пены определяется характер кривых тушения.

Концентрация пенообразователя в водном растворе сильно влияет как на время тушения пламени, так и на положение минимума на кривых удельного расхода пены.

Для количественного описания механизма тушения необходимо учесть основные факторы, которые влияют на процесс движения пены по поверхности горючего [4-6]. Выделим основные составляющие процесса:

• секундный расход пены, подаваемой на всю поверхность;

• скорость термического разрушения пены от факела пламени;

• скорость контактного разрушения пены со стороны горючего при растекании пены по поверхности смесевого топлива;

• скорость контактного разрушения на боковой поверхности всплывающей пены;

• скорость накопления пены на поверхности горючего.

Представим уравнение материального баланса пены, описывающее контактное поверхностное, контактное боковое и термическое разрушение пены. При этом учитывается, что скорость термического разрушения зависит от степени покрытия поверхности пеной в соответствии с работой [7]:

ц йг = иа (1 - 9)950 йг + ик8ьйг + + аде а + рНБо ае,

где ц — расход пены, кг/с; г — время, с;

ип

скорость термического разрушения пены

в начальный период времени, м/с;

е — степень покрытия поверхности горючей

жидкости пеной; е = Бь /50;

5ь, Б0 — площадь поверхности горючего и пены

соответственно, м2;

р — плотность пены, кг/м3;

Н — средняя толщина пенного слоя, м;

ик—удельная контактная скорость разрушения

пены, кг/(м2-с).

Параметр ио в работе [7] описан формулой

и =

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

Qs, Qu — удельная теплота испарения соответственно горючего и воды, Дж/кг. В результате решения дифференциального уравнения (1) можно получить в явном виде зависимость времени тушения гт от таких параметров, как интенсивность подачи, и других показателей, которые входят в выражение

г т =

рН

- аг^

и + и

[4Ц, (J - В)]^2 [4и0 (J - В

где J — интенсивность подачи пены, кг/(м2-с); В — коэффициент, зависящий от вида пенообразователя и параметров пены, имеющий размерность времени;

В =

и^ь

Цо_

4

ик

4Ц0

5

0

Для проведения количественного анализа влияния концентрации полимерного компонента упростим выражение (4), представив его первым членом ряда Маклорена (при этом относительная погрешность результатов для времени тушения до 2 мин составит не более 15 %):

, рн и + и)

щ

Увеличение доли полимерного компонента в рабочем растворе ведет к повышению вязкости водного раствора в пленках и вязкости пены в целом, что вызовет соответствующие изменения в термической устойчивости пены и ее вязкости.

Экспериментально установлено, что термическая устойчивость пены растет пропорционально концентрации полимерного компонента. Некоторые результаты экспериментальных измерений представлены на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что в исследованном диапазоне концентраций термическая устойчивость, выраженная величиной, обратной удельной скорости разрушения пены, удовлетворительно описывается линейной зависимостью в виде эмпирической формулы

(1/Ц)/С1 = р С с'

Uo _

где и1 — удельная скорость термического разрушения пены при концентрации полимера С1; С — концентрация полимера;

р =

Параметр р зависит от природы полимера, фтор-содержащих компонентов, молекулярной массы спирта и его доли в смесевом топливе.

Экспериментальные исследования зависимости средней толщины пенного слоя после тушения пламени в модельных горелках от содержания полимерного компонента показали, что по мере роста доли полимера средняя толщина пенного слоя увеличивается. Как и в случае определения термической стабильности, средняя толщина пенного слоя линейно возрастает с концентрацией полимера в рабочем растворе.

Линейная зависимость может быть представлена эмпирической формулой

Н = ко + а С,

где Н0 — начальная толщина пенного слоя при концентрации полимера С0; а = Н1/С1;

Н1 —средняя толщина пенного слоя при концентрации полимера С1, т. е. это удельная толщина пенного слоя.

Результаты экспериментальных измерений представлены на рис. 3.

2 4 6 8

Концентрация, % об.

Рис. 2. Зависимость устойчивости (1-3) и удельной скорости термического разрушения (1'-3') пен, полученных из пенообразователей с полимерным компонентом ФС-600 (1, 1'). Ансулит (2, 2') и Гидрал ARC (3, 3'), от доли полимерного компонента

14

12

10

еЗ

2 4 6

Концентрация, % об.

10

Рис. 3. Зависимость средней толщины пенного слоя для пен, полученных из композиций Гидрал ARC (1), ФС-600 (2) и Ансулит (3), от доли полимерного компонента

Подставив выражения (7) для h и (6) для Uo в формулу (5), получим:

, _ р h + аС)

4

и, соответственно, UtSh

в =

_ Uk Sb

р Uk Ulc

4С

Jk l

р

Анализ соотношений (8) показывает, что зависимость времени тушения от концентрации поли-

Концентрация, % масс.

Рис. 4. Зависимость времени тушения пламени смесевого топлива (20 % этанола) от концентрации пенообразователя с полимерным компонентом ФС-600 при различной интенсивности подачи пены

мерного компонента проходит через минимум, положение которого указывает на оптимальное содержание полимера в рабочем растворе пенообразователя.

В формуле (8), как и в формуле (4), параметр В является критической величиной интенсивности подачи пены, поскольку при J = В время тушения стремится к бесконечности. Следовательно, и критическая интенсивность зависит от содержания полимерного компонента в соответствии с формулой (9).

На рис. 4 показана зависимость времени тушения пламени смесевого топлива, содержащего бензин АИ-92 и 20 % этанола, от концентрации пенообразователя с полимерным компонентом ФС-600.

Измерения проведены при различной интенсивности подачи пены. Сопоставление экспериментальных результатов с расчетными, полученными по формуле (8), показало их удовлетворительное совпадение.

Таким образом, в результате исследований предложен механизм формирования пенного слоя при подслойном способе тушения пожаров смесевых топлив. Обосновано существование оптимальной концентрации пенообразователей с полимерным компонентом в водном растворе, которая позволяет тушить пожар с максимальной скоростью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П. Подслойное тушение // Пожарное дело. —1995.—№ 1.— С. 40-41.

2. Шароварников А. Ф., Ефимов А. А. Перспектива разработки и освоения "подслойного" способа тушения нефтей и нефтепродуктов в резервуарах // Пожаровзрывобезопасность. — 1992. — Т. 1,№ 1. —С. 62-67.

3. Шароварников А. Ф., Коловатов В. П., Грашичев Н. К. Разработка и испытание отечественного варианта подслойного способа тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах низкократной пеной // Транспорт и хранение нефтепродуктов : науч.-техн. информ. сб. — М.: ЦНИИТЭнефте-хим. — Вып. 4. — 1991. — С. 17.

4. Молчанов В. П., Шароварников С. А. Закономерности тушения пожаров в резервуарах подслой-ной системой // Материалы Четвертой международной конференции "Информатизация систем безопасности" (ИСБ-95), Международных форумов информатизации и "Технологии безопас-ности-95". Москва, 17 ноября 1995 г. — М. : ВИПТШ МВД РФ, 1995. — 243 с.

5. Корольченко А. Я., Шароварников С. А. Тушение смесевых топлив фторсодержащими пенообразователями // Материалы Четвертой международной конференции "Информатизация систем безопасности" (ИСБ-95), Международных форумов информатизации и "Технологии безопас-ности-95". Москва, 17 ноября 1995 г. — М. : ВИПТШ МВД РФ, 1995. — 243 с.

6. Шароварников С. А., Корольченко А. Я., КрымовА. В. Обеспечение пожарной безопасности резервуаров со смесевым топливом // Матер. науч.-практ. конф. Москва, 3 декабря 1996 г. — М. : МИПБ МВД России, 1996. — 183 с.

7. ГрашичевН. К. Закономерности тушения нефтепродуктов подачей пены в слой горючего : авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. — М. : ВИПТШ МВД РФ, 1991. — 21 с.

Материал поступил в редакцию 10 апреля 2014 г.

EXTINGUISHING OF THE MULTICOMPONENT COMPOSITE FUELS BY AQUEOUS FILM FORMING FOAM BY SUBLAYER WAY

SHAROVARNIKOV S. A., Candidate of Technical Sciences, Scientific Consultant, OOO NPO "Aktiv-Alyans"

: English

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

LYAPIN A. V., Candidate of Technical Sciences, Director of Research Institute "Consultation and Engineering", Moscow State University of Civil Engineering

ABSTRACT

It is shown that for suppression of the composite fuels by sublayer way we should use foaming agents which structure along with fluorinated stabilizers includes polymeric components. Results of laboratory researches on detection of the optimal concentration of foaming agent with polymeric component for sublayer extinguishing of the composite fuels are given. It is determined that concentration of foaming agent in a water solution exerts influence on the period of suppression and foam rate. It is also determined that thermal stability of foam grows in proportion to concentration of a polymeric component. As a result of researches it is offered the mechanism of a foam layer formation for sublayer extinguishing of the composite fuels.

Keywords: fire extinguishing; sublayer extinguishing; composite fuels; foaming agent; polymeric component; fluorinated surfactants.

REFERENCES

1. Sharovarnikov A. F., Molchanov V. P. Podsloynoye tusheniye [Sublayer suppression]. Pozharnoye

delo —Fire Fighting, 1995, no. 1, pp. 40-41. l. Sharovarnikov A. F., Efimov A. A. Perspektiva razrabotki i osvoyeniya "podsloynogo" sposoba tushe-niya neftey i nefteproduktov v rezervuarakh [Perspective of development and application of "sublayer" way of suppression of oil and oil products in tanks]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 199l, vol. 1, no. 1, pp. 62-67.

3. Sharovarnikov A. F., Kolovatov V. P., GrashichevN. K. Razrabotkaiispytaniye otechestvennogo vari-anta podsloynogo sposoba tusheniya pozharov nefteproduktov v rezervuarakh nizkokratnoy penoy [Development and testing of domestic option of a sublayer way of suppression of oil products fires in tanks by low expansion foam]. Transport ikhraneniye nefteproduktov: nauch.-tekhn. inform. sb. [Transportation and storage of oil products. Scientific and technical information collection]. Moscow, TsNIITEneftekhim Publ., 1991, p. 17.

4. Molchanov V. P., Sharovarnikov S. A. Zakonomernosti tusheniya pozharov v rezervuarakh podsloy-noy sistemoy [Regularities of fire suppression in tanks by sublayer system]. Materialy Chetvertoy mezhdunarodnoy konferentsii "Informatizatsiya sistem bezopasnosti" (ISB-95), Mezhdunarodnykh forumov informatizatsii i "Tekhnologii bezopasnosti-95" [Materials of the Fourth International Conference "Informatization of Safety Systems" (ISB-95), International forums of informatization and "Technology of Safety-95". Moscow, 17November, 1995]. Moscow, Higher Fire and Technical School of Ministry of the Interior of Russian Federation Publ., 1995.143 p.

5. Korol'chenko A. Ya., Sharovarnikov S. A. Tusheniye smesevykh topliv ftorsoderzhashchimi penoobra-zovatelyami [Suppression of composite fuels by fluorine-containing foam]. Materialy Chetvertoy mezhdunarodnoy konferentsii "Informatizatsiya sistem bezopasnosti" (ISB-95), Mezhdunarodnykh forumov informatizatsii i "Tekhnologii bezopasnosti-95" [Materials of the Fourth International Conference "Informatization of Safety Systems" (ISB-95), International forums of informatization and "Technology of Safety-95". Moscow, 17November, 1995]. Moscow, Higher Fire and Technical School of Ministry of the Interior of Russian Federation Publ., 1995.143 p.

6. Sharovarnikov S. A., Korol'chenko A. Ya., Krymov A. V. Obespecheniyepozharnoy bezopasnosti re-zervuarov so smesevym toplivom. Materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Ensuring of fire safety of tanks with composite fuels. Materials of scientific and practical conference. Moscow, 3 December, 1996]. Moscow, Moscow Institute of Fire Safety of Ministry of the Interior of Russian Federation Publ., 1996. 183 p.

7. Grashichev N. K. Zakonomernosti tusheniya nefteproduktovpodacheypeny v sloy goryuchego: avto-referat dis. kand. tekhn. nauk [Regularities of suppression of oil products by supplying of foam in a fuel layer. Abstracts of cand. tech. sci. diss.]. Moscow, Higher Fire and Technical School of Ministry of the Interior of Russian Federation Publ., 1991.11 p.