Оценка необходимого количества охлаждающих огнетушащих средств при тушении некоторых пожаров

Прекратить горение можно либо за счет ограничения доступа горючего или окислителя в зону горения, либо за счет охлаждения этой зоны до температуры потухания пламени или торможения скорости реакции горения с помощью химически активных ингибиторов.

На практике, если не удается прекратить доступ горючего механическим путем (например, перекрыв запорный кран), чаще всего применяют охлаждение как наиболее простой, доступный и достаточно эффективный способ. В качестве огнетушащего средства используются вода или другие средства на ее основе. При этом важно отметить, что охлаждение самих компонентов горючей смеси (перед зоной горения) практически бесполезно, так как газовоздушные смеси способны гореть практически при любой начальной температуре. Тепло необходимо отводить непосредственно от зоны горения, т. е. от зоны реакции.

В случае диффузионного горения паров, оттекающих со свободной поверхности горючей жидкости, процесс горения также можно прекратить за счет охлаждения зоны горения до температуры потухания, химического торможения, а также изоляции горючего от зоны горения (или прекращения доступа в зону горения окислителя при пожарах внутри зданий и помещений, т. е. на внутренних пожарах).

Однако все эти способы в реальных условиях трудно осуществить, они требуют больших затрат, применения специальных видов пожарной техники и нередко сопряжены с опасностью для жизни и здоровья людей. Поэтому разработка новых, более эффективных средств и способов тушения пожаров из-за легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ) интенсивно ведется во многих странах мира. Причем, как показывает анализ механизмов действия большинства разрабатываемых новых огнетушащих средств, надежного эффекта тушения пожара удается добиться только после того, как температура поверхностных слоев горючей жидкости будет существенно снижена по сравнению с ее значением при длительном, распространившемся пожаре. Поэтому представляется весьма перспективным способ прекращения доступа паров горючей жидкости в зону горения путем внезапного охлаждения поверхностного слоя горючей жидкости. Особенность этого приема состоит в осуществлении экстренного снижения температуры прогретого поверхностного слоя жидкости до температуры ниже температуры вспышки паров данной жидкости. Такой способ тушения наиболее эффективно может быть реализован с помощью криогенных хладоагентов, например с помощью жидкого азота или твердой углекислоты с конструкционной плотностью ниже плотности горючей жидкости.

При диффузионном горении твердых горючих материалов (ТГМ), склонных к гомогенному пламенному горению, продуктов пиролиза в смеси с воздухом и к гетерогенному беспламенному горению твердого углеродистого остатка, для тушения необходимо: прекратить пламенное горение продуктов пиролиза ТГМ над его поверхностью и гетерогенное горение углеродного остатка в поверхностном прогретом слое.

Пламенное горение так же, как и в первых двух случаях, может быть прекращено за счет охлаждения зоны горения, химического торможения процессов горения в зоне реакций или прекращения доступа кислорода воздуха в зону горения (если это возможно) или доступа продуктов пиролиза к факелу пламени.

С помощью огнетушащих средств, действующих по механизму охлаждения, это может быть достигнуто только после охлаждения прогретых слоев ТГМ до температуры ниже температуры начала пиролиза данного материала. В результате прекратится процесс горения во всех его видах и режимах, так как температура начала пиролиза значительно ниже температуры протекания гетерогенных процессов диффузионного горения углеродистого остатка ТГМ.

Исходя из рассмотренного определили условия, необходимые и достаточные для прекращения процессов горения практически для всех случаев тушения пожаров с помощью огнетушащих средств, действующих по механизму охлаждения.

• Для случая горения газов и фонтанирующих под большим давлением горючих жидкостей условием тушения является

где Т_{П Г} — температура среды (продуктов горения) в зоне горения; Т_пт — температура потухания пламени.

Температуру в зоне горения необходимо снижать примерно на 300 К, так как под Т_ПТ понимается критическая температура потухания пламени предварительно не смешанных газов. Условие (3.5) реализуется путем обеспечения определенной интенсивности теплоотвода из зоны горения:

где q_TQ — интенсивность теплоотвода от зоны горения, кДж/с; ср — удельная теплоемкость отдельных компонентов продуктов горения, кДж/(м³-К); V, — секундный объем каждого из образующихся компонентов продуктов горения, м³/с.

• Для случая диффузионного горения жидкостей со свободной поверхности (в больших резервуарах) справедливо то же условие, что и для газов (3.5), т. е. путем снижения интенсивности поступления паров в зону горения за счет охлаждения поверхностного слоя:

где Т_{П Г} — температура поверхностного слоя горючей жидкости; Т_вс — температура вспышки паров горючей жидкости.

В момент начала тушения при длительном горении ЛВЖ и ГЖ в резервуаре, т. е. при развившемся пожаре, вышедшем на стационарный режим горения, температура поверхностного слоя для чистых горючих жидкостей близка к температуре кипения данной жидкости или чуть ниже этого значения. Для многокомпонентных жидкостей сложного фракционного состава она может значительно превышать условную температуру кипения исходной горючей жидкости, так как в поверхностном прогретом слое происходит как бы «разгонка» с уходом легких фракций. Состав жидкости в поверхностном слое является неравновесным и не соответствует ее начальному фракционному составу. Тушение возможно при обеспечении условия.

где q_T0 — интенсивность теплоотвода от поверхностного слоя горючей жидкости, кДж/(м² с); д_л, q_KU — лучистый и конвективный тепловые потоки от факела пламени к поверхности горючей жидкости, кДж/(м²с); <2_зап — удельное (или приведенное) количество тепла, запасенное в прогретом слое горючей жидкости, кДж/м²; т_ТП1 — время тушения, с.

Параметр Q_3an можно выразить через теплофизические параметры прогретого слоя горючей жидкости:

где с — удельная теплоемкость горючей жидкости; р_гр — плотность горючей жидкости, кг/м³; 5_{П с} — толщина прогретого слоя; Т (х) — функция распределения поля температур по толщине х прогретого слоя горючей жидкости.

Приняв условно Т (х) стационарным и линейным, выражение (3.9) с достаточной для практических целей точностью можно записать в виде.

Если на поверхности резервуара не образуется гомотермический слой горючей жидкости, то 5_{П с} «0,05 м.

• Для случая диффузионного горения ТГМ необходимым и достаточным условием тушения пожара является.

где Г_пс — температура поверхностного слоя ТГМ (обычно в момент начала тушения максимальная температура прогретого слоя ТГМ на развившемся пожаре составляет примерно 973 К); Г_пир — температура начала пиролиза (для большинства ТГМ температура пиролиза составляет примерно 200 К).

Реализовать это условие можно, если обеспечить интенсивность отвода тепла от горящей поверхности ТГМ, при которой

где с — удельная теплоемкость частично пиролизованного слоя твердого горючего материала, зависящая от температуры и степени пиролизованности слоя, кДж/(кг*°С); р — плотность частично пиролизованного слоя ТГМ, зависящая от температуры и степени пиролизованности слоя, кг/м³; t{x) — функция распределения поля температур в прогретом слое ТГМ, но толщине х прогретого слоя.

Как очевидно из выражений (3.4), (3.6), (3.10), во всех случаях условием, необходимым и достаточным для прекращения процесса горения, т. е. условием тушения пожара, является обеспечение определенной интенсивности теплоотвода от зоны горения смеси или горючего вещества, приводящей к снижению их температуры до значения, при котором горение полностью прекращается. Оптимальным режимом тушения будет тот, при котором значение Qto ⁼<7то *^ттш будет минимальным. Анализ показывает, что числовое значение Q_T0 зависит от вида горючего вещества, режима горения и времени тушения.

Минимальное значение физического времени тушения т_Т111 для газовых и газонефтяных фонтанов большой мощности составляет 2—3 с; охлаждение прогретого слоя горючей жидкости на поверхности резервуара занимает примерно 15—20 с; охлаждение прогретого ниролизованного слоя ТГМ на поверхности, доступного прямому воздействию охлаждающей жидкости, происходит примерно 25—30 с.

Подстановка числовых значений этих и других входящих в выражения (3.3)—(3.5) величин, определяемых в режиме горения и физическими параметрами горючей среды, показывает, что отношение оптимальных интенсивностей теплоотвода (от зон горения — в первом случае и от поверхности горючего вещества — во втором и третьем случаях) к интенсивности тепловыделения при этих режимах горения является величиной почти постоянной. Выразив отношение интенсивности теплоотвода, требуемой для прекращения горения, к интенсивности тепловыделения через К_П11, можно получить выражение для критерия процесса тушения в следующем виде:

Для случая тушения факела пламени горючих газов.

где q_T0 — интенсивность теплоотвода от зоны горения, кДж/с; q_u — интенсивность тепловыделения при сгорании горючего газа с расходом V_rp, м³/с; (3 — коэффициент полноты сгорания.

Для случая тушения пожара, обусловленного горением паров, оттекающих со свободной поверхности горючей жидкости (ЛВЖ и ГЖ), путем охлаждения ее поверхностного слоя уравнение можно представить в виде.

где <7_Т0 — интенсивность теплоотвода с единицы поверхности горючей жидкости, кДж/с (м²с); q_B — интенсивность тепловыделения с единицы поверхности горючего вещества, кДж/(м²-с); W_r__M — массовая скорость выгорания горючего вещества, кг/(м²-с); Q_Hcn — удельная теплота испарения горючей жидкости, кДж/кг; (3 -коэффициент полноты сгорания; Q" — низшая теплота сгорания по рабочей массе горючего, кДж/кг; т_Т111 — время тушения.

Для случая тушения пожара ТГМ методом охлаждения прогретого слоя горючего материала до температуры начала его пиролиза воспользуемся известным фактом, что теплота пиролизных твердых горючих материалов при диффузионном горении, как правило, не превышает 5—6% общего количества тепла, выделяемого при горении. Тогда суммарное количество тепла, поступающее к горючему материалу от факела пламени по механизму лучистой и конвективной передачи, можно выразить через теплоту пиролиза:

В таком случае уравнение (3.16) примет вид.

где q_TO- интенсивность теплоотвода с единицы поверхности ТГМ, кДж/(м²-с); 0,06#_в — среднее значение теплоты пиролиза большинства натуральных и синтетических полимерных ТГМ, кДж/(м²с).

Следует отметить, что отношение минимального количества тепла, которое следует отвести от горючей системы для эффективного тушения пожара, к удельной теплоте сгорания данного вида горючего вещества также является величиной относительно постоянной. Для горючих газов она составляет примерно 0,1, а для горючих жидкостей и большинства горючих материалов даже меньше: (5^-8) 10~³ в расчете на 1 м³ горючего при площади поверхности горения 1 м². Из этого можно сделать вывод, что энергетически выгоднее осуществлять тушение путем отвода тепла от горючего вещества, а не от зоны горения. Зная минимально возможное время прекращения процессов горения и выполняя необходимые и достаточные условия охлаждения зоны горения или горючего материала до заданной температуры, можно рассчитать все основные параметры, обеспечивающие оптимальный режим тушения. Подстановка числовых значений параметров в формулы (3.17) и (3.18) показывает, что:

• — для тушения пожаров, связанных с диффузионным горением газов и паров горючих жидкостей, методом охлаждения зоны горения К_тш = 0,1;
• — для тушения пожаров, связанных с диффузионным горением ЛВЖ, ГЖ, имеем К_тш = 0,2—0,4, а с горением ГТМ получаем К_тш = 0,3.

Зная массу всех горючих веществ и материалов, можно рассчитать требуемый расход огнетушащих средств, интенсивность их подачи, удельный расход на единицу площади тушения пожара и необходимые запасы огнетушащих веществ без учета реальных потерь, которые неизбежны при тушении любого пожара.

Все это используется при проектировании автоматических установок пожаротушения с оптимальными параметрами систем и процесса тушения, расчете оптимальных параметров тушения пожаров силами и средствами пожарной охраны, а также разработке объективных критериев эффективности и качества тушения пожаров.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Приведите общие положения теории прекращения горения.
• 2. Каковы существенные особенности тепловой теории прекращения горения?
• 3. Дайте характеристику основных способов предотвращения воспламенения материалов и локализации пожаров.
• 4. Чем вызвана необходимость оценки требуемого количества охлаждающих огнетушащих средств при тушении некоторых пожаров?