Вода как огнетушащее средство

Вода является одним из наиболее широко распространенных и наиболее универсальных средств, применяемых для тушения пожаров. Она эффективна при тушении пожаров, связанных с горением веществ, находящихся во всех трех состояниях. Поэтому ее широко применяют для тушения пожаров практически повсеместно, кроме тех редких случаев, когда ее применить нельзя. Воду нельзя применять для тушения пожаров в следующих случаях нельзя тушить горючие вещества и материалы, с которыми вода вступает в интенсивное химическое взаимодействие, с выделением тепла или горючих компонентов (например, пожары, связанные с горением щелочных и щелочно-земельных металлов, металлов типа лития, натрия, карбида кальция и других, а также кислот и шелочей, с которыми вода бурно взаимодействует); водой нельзя тушить пожары, с температурой выше 1800- 2000°С, так как при атом возникает интенсивная диссоциация паров воды на водород и кислород, которые интенсифицируют процесс горения; нельзя тушить пожары, при которых применение воды не обеспечивает требуемых условий безопасности для личного состава. Например, пожары электроустановок, находящихся под высоким напряжением, и т.д.

Во всех остальных случаях вода является надежным, эффективным средством для тушения пожаров и поэтому она нашла наиболее широкое применение. Вода обладает рядом достоинств как огнетушащее средство; термической стойкостью[5], намного превышающей термическую стойкость других негорючих жидкостей, высокой теплоемкостью и теплотой испарения, относительной химической инертностью. К отрицательным свойствам воды относятся: высокая температура замерзания и аномалия изменения плотности воды при охлаждении, что затрудняет ее применение при низких отрицательных температурах, сравнительно малая вязкость и высокий коэффициент поверхностного натяжения, ухудшающие смачивающие способности воды и тем самым снижающие коэффициент ее использования в процессе тушения, а также электропроводность воды, содержащей примеси.

Основные физико-химические свойства воды следующие:

плотность r = 1000 кг/м^З;

температура замерзания t зам = 0°С;

температура кипения t _кип = 100 °С;

плотность насыщенного водяного пара при 100 °С и r =98.1 • 10³Па;

r_П = 0, 6 кг/м³;

критическая температура t _крит = 374 °С;

удельная теплоемкость жидкости С_ж = 4, 19 кДж/(кг • К);

удельная теплоемкость паров (в диапазоне температур от 100 до 1000°С) С_р =2, 52 кДж/(кг • К);

скрытая теплота парообразования r = 2260 кДж/кг;

коэффициент поверхностного натяжения σ _в= 7, 25 • 10^-3 Н/м;

коэффициент динамической вязкости μ _в = 10^-3 Н с / м²

удельная электрическая проводимость (чистой воды) при 20°С – 1/R=400 1/Ом*м.

По механизму прекращения горения вода относится д категории охлаждающих огнетушащих средств. Но сам механизм прекращения горения зависит от режима горения, от вида горючего и его агрегатного состояния. При тушении пожаров, связанных с горением горючих газов (всегда) и жидкостей (иногда) доминирующим механизмом прекращения горения является охлаждение зоны горения, который реализуется в случае применения объемного метода тушения. Поэтому рассмотрим сначала механизм прекращения процессов горения водой при объемном методе, который применяется при тушении пожаров, связанных с горением горючих газов, жидкостей и ТТМ.

При объемном методе тушения (разбавлением, ингибированием цепных реакций или охлаждением зоны реакций) наиболее целесообразно подавать огнетушащее средство в зону горения или в зону протекания химических реакций горения «объемно», т.е. заполняя им максимально возможную часть объема в зоне горения. Воду можно подавать в зону горения в виде компактных струй, распыленных струй и тонкораспыленной воды. Два последних случая наиболее полно соответствуют понятию объемной подачи жидкого огнетушащего средства в зону горения. Компактная струя, пройдя сквозь зону горения, не окажет на нее почти никакого воздействия, да и сама практически не испытает сильного влияния пламени. Далее, взаимодействуя с горячим материалом, она окажет на него некоторое воздействие, но оно будет не столь эффективным. Через слабую струю газа водяная струя также пройдет без всякого взаимодействия, не влияя на состояние газа (или газовой смеси) и не испытывая особого воздействия от него.

При взаимодействии компактной водяной струи с интенсивным газовым потоком (у самого устья скважины, где огромные скорости потока газа, сравнительно большая плотность и высокий газодинамический напор), она раздробится, а если их много, то они раздробят и газовую струю. Но в условиях пожара - это процесс трудно управляемый и трудно регулируемый. Поэтому подавать компактную струю в факел пламени горящих газов нецелесообразно.

Компактную струю можно подавать в следующих случаях.

1.    Когда необходимо 'поднять' нижнюю кромку факела пламени, т.е. увеличить 'мертвую зону". Например, для примене ния способа тушения взрывом ВВ или с помощью АГВТ для вывода на боевую позицию технических средств тушения, технических. устройств для аварийно-восстановительных работ и т.д.

2.    Когда личному составу невозможно подойти к фонтану на оперативную дистанцию для выполнения боевых действий по тушению и вспомогательных работ; для защиты от загорания близлежащих объектов и т.д.

При тушении ЛВЖ и ГЖ компактная струя также не окажет на факел пламени почти никакого воздействия. А попав на поверхность ЛВЖ и ГЖ, она будет не очень эффективно ее охлаждать. Из-за большого удельного веса воды по сравнению с горючими углеводородами она быстро опустится на дно. Охлаждение прогретых до температуры кипения поверхностных слоев горючей жидкости будет не столь интенсивным, как если бы была подана распыленная или тонкораспыленная вода. При тушении ТГМ компактные струи воды, поданные в факел пламени, также, как и в первых двух случаях, не окажут влияния на зону горения, а попав на поверхность ТГМ, они не очень эффективно будут их охлаждать и тем самым будут мало способствовать тушению.

Мощные компактные струи воды подают при тушении крупных развившихся пожаров штабелей древесины, так как при таком интенсивном горении распыленные струи, а тем более тонкораспыленная вода не долетят не только к горящей древесине, но даже не попадут внутрь факела пламени. Они испарятся во внешних зонах факела пламени или унесутся вверх интенсивными газовыми потоками, практически не повлияв на процесс горения.

Во всех остальных случаях распыленные струи и тонкораспыпенная вода бопее эффективны как при тушении пожаров объемным способом, так и при тушении по поверхности горючего материала. При прекращении пламенного горения компактная струя менее эффективна потому, что, пропетая сквозь зону горения, не обеспечивает охлаждающего воздействия, так как она имеет небольшую площадь поверхности контакта с пламенем и малое время взаимодействия. Тогда как распыленные струи имеют значительно большую поверхность контакта с факелом пламени и меньшую скорость пропета - большее время взаимодействия. А еще лучше условия теплоотвода из факела пламени у тонкораспыпенной воды. По законам теплопередачи количество теппа, отнимаемое телом от газовой среды, описывается уравнением вида (146):

.        (146)

Значит, чем больше поверхность контакта жидкости с факелом пламени и время етого контакта при прочих равных условиях, тем интенсивнее теплоотвод. Очень малое тепловое и аэродинамическое взаимодействие с факелом пламени у компактной струи, большее - у распыленной, еще большее - у тонкораспыленной воды, подаваемой в зону пламени. Наибольший эффект тушения при подаче воды в факел пламени будет в том случае, когда ее охлаждающий эффект будет максимальным. То есть когда вся поданная на тушение пожара вода испарится за счет отвода тепла от факела пламени, непосредственно из зоны протекания химических реакций горения. Поэтому при таком механизме прекращения горения следует стремиться к тому, чтобы максимально возможное количество воды испарялось в объеме факела пламени, а не за его пределами. А при тушении водой путем подачи ее на поверхность горючих жидкостей или
 ТГМ более равномерная подача распыленной воды эффективна потому, что максимальный охлаждающий эффект будет иметь место при полном испарении всей поданной на тушение пожара воды за счет отъема тепла от горючего материала. Поэтому вода должна находиться в контакте с поверхностными (наиболее прогретыми) слоями ЛВЖ, ГЖ или ТГМ до полного ее испарения.

Наибольшее время контакта капли с факелом пламени будет при скорости полета капли, близкой к скорости витания, т.е. когда сила веса капли уравновешена силой аэродинамического взаимодействия капли с потоком газа. Откуда скорость витания капли в зависимости от соотношения плотностей жидкости и газа и диаметра капли, можно найти по формуле (147):

   или    .         (147)

Поверхность теплообмена будет тем больше, чем меньше диаметр капли. Если капли очень маленького диаметра (d_к< < d_к^вит), то поверхность их контакта будет достаточно большая, масса капель незначительна, но при подаче извне они не дойдут до зоны пламени, а унесутся вверх конвективными газовыми потоками и не повлияют на процесс горения. Значит размер капель, т.е. степень их дисперсности (мелкость их распыла) и одновременно время пребывания их в зоне горения должны быть таковы, чтобы произведение этих параметров было максимальным (т.е. S_{∑ *} r → max). Это условие обеспечит максимальный отвод тепла из зоны химических реакций горения.

Механизм прекращения пламенного горения водой. Если в факел пламени подать тонкораспыленную воду, то значительная ее часть или почти вся вода испарится, отняв максимальное количество тепла. Допустим, что вся вода, поданная в зону пламени, полностью испарится. Рассмотрим механизмы прекращения горения для этого случая. Основные механизмы отвода тепла и механизмы прекращения горения будут следующие: - снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на нагревание капелек воды до температуры кипения в соответствии с выражением (148):

;            (148)

- снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразование (т.е. на испарение) в соответствии с выражением (149):

q₂=r*m_B                   (149)

- снижение температуры факела пламени за счет смешения паров воды при t =100 °С и реагентов в зоне реакции и затраты тепла на нагревание паров воды до температуры среды в зоне горения в соответствии с выражением (150):

;             (150)

- разбавление компонентов горючей смеси в зоне химической реакции горения парами воды;

- изменение теплофизических свойств газовой среды в зоне горения С_Рсм; l_см и др.

Оценим, приблизительно, удельные расходы воды и требуемые интенсивности подачи ее для эффективного тушения факела пламени при всех трех агрегатных состояниях горючих материалов по механизму прекращения горения только за счет охлаждения зоны реакции.

Максимальная температура факела диффузионного пламени любого горючего вешества или материалао составляет 1200- 1300 °С и очень редко превышает 1350 °С. Так, температура пламени горючих газов при диффузионном горении в открытом пространстве составляет 1250-1300 °С (кроме водорода), горючих жидкостей при тех же условиях - 1200-1250°С, твердых горючих веществ и материалов - 1150-1200°С.

Согласно тепловой теории потухания пламени, условно принято, что температурой потухания для большинства углеводородных горючих веществ и материалов является 1000 °С.

Предположим, что начальная температура реагентов, т.е. смеси горючего с окислителем (смеси «горючего газа с воздухом или паров ЛВЖ, ГЖ с воздухом) была равна T₀=300 К (т.е. если взять их при 'нормальных' условиях ~27°С), а наивысшая температура продуктов горения примерно равная температуре факела пламени, t_пл = 1200 °С или Т_пл=1500 К. Это значит, что температура среды в зоне горения повысилась приблизительно на 1200 К. На повышение температуры в зоне горения пошло примерно 60% всей теплоты сгорания данного вида горючего ( ~ 0, 6 ) ), (за вычетом потерь на излучение в окружающую среду, на которое пошло ~ 0, 4 Q^Р_Н ). А снизить температуру факела пламени необходимо на ∆ T_ПОТ=200 K, т.е. 200/1200=0, 17, т.е. примерно на 1/6 прироста температуры в зоне горения или на 17%. Если предположим, что прирост температуры продуктов горения пропорционален количеству тепла, выделяемого в результате химических реакций горения, за вычетом теплопотерь на излучение, то для потухания пламени необходимо снизить количество выделяемого тепла еще на ~ 17% или отвести от факела пламени дополнительно 17% тепла из тех 60%, которые идут на повышение температуры зоны реакции ∆ Q_отв=17% Q_ПЛ, где Q=60% Q^Р_Н. Эго значит, что при тушении пламени по механизму прекращения горения охлаждением зоны горения для диффузионных пламён горючих газов, паров ЛВЖ, ГЖ и твердых горючих материалов, необходимо отвести от зоны горения дополнительно 1/6 часть тепла, идущего на повышение температуры среды в факеле пламени, что составляет 1/6 • 60% Q^Р_Н, т.е. ~ 10% от их теплоты сгорания.

Поскольку теплота сгорания большинства газообразных и жидких углеводородных горючих веществ редко превышает (40÷ 50) 10³ кДж/кг, то для этого вида горючих удельное количество тепла, которое следует дополнительно отвести от диффузионного пламени для его тушения по механизму прекращения горения охлаждением зоны горения, составляет:                           кДж/кг.

Определим количество воды, требуемой для отвода такого количества тепла от зоны горения и тушения факела пламени по механизму прекращения горения охлаждением факела пламени.

Количество тепла, отведенное водой в расчете на один килограмм будет равно:

Q^{уд (В)} _отв=m_вC_в∆ t_в + m_вr_в + m_пC_р ∆ t_п,

где m_в - масса воды, принятая условно равной 1 кг;

C_в - теплоемкость воды, равная 4, 2 кДж/(кг * °С);

∆ t_в - диапазон прогрева воды от начальной температуры (условно примем ее равной 20°С) до Т кипения;

r_в - скрытая теплота парообразования, равная 2270 кДж/кг;

Ср - теплоемкость паров воды в диапазоне температур от 100 до 1000 °С, условно принятая равной ее среднему значению 2 кДж/(кг • °C);

∆ t_п - диапазон нагрева паров воды в зоне пламени от 100 до1000°С.

Подставив численные значения входящих величин, получим:

Q^уд_отв^(В)=4400 [кДж, /кг], т.е. один литр воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и нагревании паров воды до наименьшей температуры пламени, способен отнять от факела пламени 4400 килоджоулей тепла. Это значит, что для тушения диффузионного факела пламени самых высококалорийных углеводородных горючих с Q^Р_Н (40÷ 50) 10³ кДж/кг нужно подать в факел пламени:

 (кг/кг),

т.е. примерно 1 л воды на килограмм горючей жидкости или на 1 кг горючего газа.

Однако необходимо помнить, что полученные численные значения удельных расходов воды носят расчетно-теоретический характер. Практически невозможно осуществить подачу воды в факел пламени, доведя его до полного потухания, и при этом обеспечить полное испарение всей воды и надевание ее паров до температуры газовой среды, т.е. до 1000 °С. Предположим, что не вся вода попадет при распыле в факел пламени, а только 80% ee, не вся вода, попавшая в факел пламени, нагреется до 100 °С, а лишь 90%, не вся нагретая до температуры кипения вода испарится, а только 75% ее и что пары воды прогреются примерно до 750 °С, то и в этом случае количество тепла, отведенное от факела пламени, будет равно:

Q^уд_отв^(В)=k₁k₂m₁Cв∆ t_в + k₁k₂ k₃m_вr_в + k₁k₂ k₃ k4mпC_р^П ∆ t_п,

где k₁ = 0, 8; k₂= 0, 9; k₃=0, 75; k₄ = 0, 75[6].

Даже в этом случае после подстановки численных значений входящих величин получим Q^уд_отв^(В) =2200 кДж/кг; т.е. примерно вдвое меньше полученного ранее значения[7]. Соответственно и требуемые удельные расходы воды, необходимые для прекращения пламенного горения, будут в два раза больше полученных выше значений q^B_уд= 0, 1 Q_н=2 л/кг. Но и эти значения в 5-10 раз меньше реализуемых на практике. Это обстоятельство показывает, какие большие резервы повышения огнетушащей эффективности воды по механизму охлаждения факела пламени скрыты в совершенствовании способов подачи воды в зону горения, в повышении коэффициента ее использования в процессе тушения некоторых видов пожаров.

Все приведенные выше расчеты были построены на тепловом эффекте тушения, без учета таких механизмов прекращения горения, как простое разбавление зоны реакции горения парами воды, изменение теплофизических свойств паро-газовой смеси в зоне протекания химических реакций горения и т.д.

Рассмотрим механизм прекращения горения разбавлением зоны реакции парами воды при подаче ее в факел пламени. Расчет произведем на примере тушения факела пламени природного газа, содержащего в своем составе более 90% метана.

Как известно, стехиометрическая концентрация метана в метано-воздушных смесях ~10% по объему, т.е. из 1 м³ горючего газа образуется приблизительно 10 м³ горючей метано-воздушной смеси.

Полученный удельный расход воды на тушение факела диффузионного пламени метана приблизительно равен 2 л/кг. Известно, что 1 л воды при полном ее испарении дает 1700 л водяного пара.

Если предположить, что в процессе тушения испарилась вся поданная вода, то объем образовавшихся паров будет V_ВП =3, 5м³, т.е. d_вп =3, 5 * 100/28 + 3, 5 =12%, т.е. почти на половину той концентрации, которая нужна для прекращения процесса горения разбавлением зоны горения.

Рассмотрим механизм прекращения процессов горения на пожаре с помощью воды, используемой в качестве огнетушащего средства, - охлаждением горючих веществ и материалов. Таким способом можно тушить главным образом жидкие и твердые горючие материалы.

Общее количество тепла, которое необходимо отвести из зоны горения по механизму прекращения горения охлаждением горючей жидкости, можно рассчитать по следующей схеме.

Для жидкостей, не образующих гомотермического слоя, толщина прогретого слоя почти не зависит от времени горения и примерно постоянна для каждого вида горючей жидкости. Обычно эта толщина составляет от 3-5 мм до 3-5 см. Количество пепла, которое необходимо отвести от горючей жидкости, можно рассчитать по формуле (151):

Q_отв=V_жC_ж∆ t = F_жd_ПС (t_ж-t_всп)+ k_tC_ж,          (151)

где F_ж - площадь поверхности горючей жидкости (площадь резервуара);

d_ПС — толщина слоя жидкости, прогретого выше температуры вспышки;

k_t - коэффициент, учитывающий форму профиля поля температур в поверхностном слое (k_t ~ 0, 5);

C_ж - теплоемкость жидкости;

t_ж = t_кип - температура поверхностного слоя горючей жидкости, обычно равная температуре кипения горючей жидкости;

t_всп - температура вспышки горючей жидкости.[8]

Все эти величины можно найти по справочникам, кроме δ _пс, которую определяют экспериментально, для каждого вида горючей жидкости.

При длительном тушении, когда необходимо учитывать количество тепла, поступающее от факела пламени к зеркалу горючей жидкости, численное значение величины Q_отв должно быть увеличено в соответствии с формулой (152):

,          (152)

где q_луч - лучистый тепловой поток от факела пламени к зеркалу поверхности горючей жидкости; для ЛВЖ, ГЖ он обычно равен (0, 02-0, 03) ; r_т - время тушения.

Тогда суммарное количество тепла, которое следует отвести от горючей жидкости водой, подаваемой на тушение пожара, будет равно (153):

.         (153)

Для жидкостей, образующих в процессе горения гомотермический сл ой, задача расчета количества тепла, которое следует отвести от горючей жидкости для прекращения горения, осложняется тем, что толщина прогретого слоя пропорциональна времени свободного развития пожара (154):

       (154)

где ν _ГТ.С - скорость роста толщины гомотермического слоя горючей жидкости, м/с; r_с.p - время свободного развития пожара; t_ГТ.С - средняя температура гомотермического слоя горючей жидкости.

Условием успешного тушения пожара по такому механизму прекращения процесса горения является выполнение неравенства .

Рассмотрим механизм прекращения горения и удельные расходы воды при применении ее в качестве охлаждающего огнетушащего средства для тушения пожаров твердых горючих материалов. При тушении пожаров, связанных с горением ТГМ водой полного прекращения процессов горения можно добиться только путем охлаждения до определенной температуры самого горючего материала. Во-первых, потому, что прекращение пламенного диффузионного горения еще не означает прекращения горения вообще, так как многие из них способны к гетерогенному горению (тлению). Во-вторых, поверхностный слой этих материалов в процессе горения прогревается до температуры, значительно превышающей не топько температуру самовоспламенения, но даже температуру вынужденного зажигания (т.е. до температуры выше 500-600 º С).

Поэтому после прекращения пламенного горения над их поверхностью вновь создаются условия, достаточные для повторного воспламенения и продолжения горения. Поэтому условием полного и надежного, прекращения горения этих материалов является не топько прекращенние пламенного горения над их поверхностью, но и охлаждение поверхности этих материалов и их прогретых поверхностных слоев до температуры ниже температуры начала выхода горючих летучих фракций или начала их пиролиза.

Процесс тушения представим таким образом, что на всю поверхность ТГМ равномерно наносится спой воды заданной толщины за достаточно короткий промежуток времени практически одновременно. А полное время тушения примем условно равным 10 с, что практически вполне осуществимо и хорошо подтверждается экспериментально в лабораторных условиях.

Предположим также, что нанесенный слой воды требуемой толщины не стекает с контролируемой поверхности (т.е. что вся поданная вода полностью участвует в процессе тушения).

Тогда задача сводится к определению (расчету) требуемой толщины слоя воды на поверхности ТГМ 5В, необходимой для полного прекращения процесса горения. Для выбора схемы расчета рассмотрим некоторые основные механизмы прекращения горения при подаче воды на поверхность горящего материала. Как и в предшествующих случаях, пренебрежём: охлаждающим действием воды на зону пламени (на зону протекания химических реакций горения); экранирующим воздействием слоя воды на поверхности ТГМ, который в течение какого-то времени будет находиться на ней и защищать ее от лучистого и конвективного тепловых потоков зоны горения; изолирующим эффектом воды, который она будет оказывать в течение какого-то промежутка времени, впитываясь в поверхностный слой горючего материала до момента ее полного испарения и некоторыми др.

Остановимся лишь на доминнрующем механизме – механизме прекращения горения охлаждением поверхностного слоя горящего материала водой, т.е. за счет нагревания ее до температуры кипения и ее испарения. Для простоты наложения не будем принимать в расчет даже разбавляющий эффект паров воды в зоне пламенных реакиий горения и охлаждающий эффект паров воды.

Задавшись такой моделью процесса горения и такой схемой тушения, можно приближенно рассчитать количество воды, необходимое для прекращения горения охлаждением ТГМ. Предположим, что горение прекратится в тот момент, когда температура верхнего, прогретого слоя горючего материала снизится ниже температуры выхода горючих летучих фракций. Тогда горючая смесь в зоне горения над поверхностью горящего образца обеднится, интенсивность тепловыделения уменьшится, температура во фронте пламени снизится до температуры потухания и горение прекратится. При этом прекратится не только пламенное, гомогенное горение, но и гетерогенное беспламенное горение ТГМ и поверхностного углеродного слоя.

Для определения требуемого количества воды на тушение ТГМ по механизму прекращения горения охлаждением составим баланс тепла на поверхности горящего материала . Количество, тепла, выделяющееся в прогретом слое и аккумулированное в поверхностном слое, можно подсчитать по уравнению (155):

,           (155)

где Q_отв - общее количество тепла, которое следует отвести от ТГМ для прекращения процесса пламенного горения летучих над поверхностью образца и гетерогенного горения в прогретом слое; Q_тгм - количество тепла, запасенное в слое ТГМ, прогретом до температуры выше температуры выхода горючих; Q_пир - теплота экзотермических процессов пиролиза в указанном диапазоне температур за время тушения; Q_пл - количество тепла, поступающее к поверхности горючего материала от пламени из зоны горения за время тушения.

Для расчета количества воды, требуемой для тушения пожара ТГМ по механизму прекращения горения охлаждением, в качестве горючего материала примем древесину. Тогда за температуру выхода горючих летучих фракций примем условно температуру начала пиролиза древесины 200 С. Максимальную температуру на поверхности горящей древесины - 700°С. Толщина прогретого слоя древесины δ _др до температуры выше 200°С для термически толстых образцов составляет 1 см (рис. 68).

Рис. 68. Схема процесса горения ( а ) и тушения пламени (б ) над горизонтальной поверхностью твердого горючего материала: 1 - твердый горючий материал (древесина); 2 - толщина слоя, прогретого выше температуры начала пиролиза (δ _др ); 3 - выход «летучих веществ» (смеси горючих газов); 4 - подсос воздуха в зону горения; 5 – факел пламени; 6 - продукты сгорания; 7 - условная толщина слоя воды, необходимой для тушения (δ _В ); 8 – эпюра поля температур в древесине в момент тушения.

Предположим, что температура в прогретом слое древесины изменяется по линейному закону, от  на поверхности горения до  в глубине образца. Удельную плотность абсолютно сухой, частично пиролизованной древесины и ее теплоемкость определим по таблицам, соответственно равными:

Ρ _др~300 кг/м³; С_др~1, 47 кДж/(кг*°С).

Тогда количество тепла, запасенное в древесине, которое следует отвести от нее для прекращения процессов горения, определим по выражению (156, 157):

;                    (156)

.            (157)

После подстановки численных значений входящих величин получим:

.

Или, в расчете на 1 м² горящей поверхности древесины  кДж/м².

В диапазоне температур 350-450°С экзотермика пиролиза древесины составляет величину 5-6%  . Тогда наибольшее количество тепла, которое может выделиться в результате пиролитических процессов в прогретом слое древесины, за время ее тушения в расчете на единицу площади горения будет равно:     ,

где m₁ - удельная массовая скорость выгорания древесины.

Допустим, что удельная массовая скорость пиролиза (в расчете на 1 м² поверхности горения) равна массовой скорости выгорания древесины. А скорость выгорания за время тушения изменяется от своего наибольшего значения до нуля. Согласно многочисленным экспериментальным данным, удельная массовая скорость выгорания древесины на развитом пожаре m1~0, 01 кг/(м² _* с). Как известно,  древесины ~ 16800 кДж/кг, тогда после подстановки численных значений входящих величин получим:

Известно, что одиночный деревянный образец не горит с горизонтальной поверхности без внешнего дополнительного радиационного теплового потока. Экспериментально установлено, что количество тепла, поступающего от факела пламени к поверхности древесины, составляет величину 6%  , где , т.е.

или,

в расчете на 1 м² поверхности горения Q_луч=91(кДж/м²).

Тогда суммарное количество тепла, которое следует отвести от древесины, для её тушения по механизму прекращения горения охлаждением         

в расчете на1 м² поверхности горения будет равно:  кДж/м².

Количество тепла, которое будет отведено от горящего образца водой в процессе тушения, определим по формуле (157):

,        (157)

где  - тепло, затрачиваемое на нагревание воды до температуры кипения (158); Q_ИСП.В - тепло, затрачиваемое на испарение воды (159).

,              (158)

,           (159)

где r_B - скрытая теплота парообразования воды (2270 кДж/кг).

Для полного прекращения горения древесины должно выполняться условие <  и, подставив выражения для  и Q_ИСП.В, получим (160):

.             (160)

Учитывая, что согласно принятым ранее условиям, вода не стекает с горящей поверхности древесины и равномерным слоем лежит на ней, т.е. что S_В ~ S_др, сократим эти члены и решим последнее уравнение (161) относительно δ:

.           (161)

Приняв начальную температуру воды t_н ~ 20°С, после подстановки получим:

дм

или окончательно -  мм, т.е. требуемая расчетная толщина слоя воды, необходимая для тушения древесины, равна 0, 5 мм (рис. 68). А критический удельный расход воды будет равен (162):

 дм³/м².           (162)

или q_уд=0, 5 л/м², где S_др - площадь тушения, равная 1 м².

Однако столь малыми удельными расходами воды можно потушить пожар только при двух принятых ранее условиях: горящая поверхность расположена горизонтально; размеры поверхности относительно невелики.

На реальных пожарах древесина охлаждается не до температуры начала ее пиролиза, а до температуры воды, применяемой для тушения пожара. Это приводит к незначительному увеличению удельного расхода воды, до q^в_уд > 0, 7 л/м². Кроме того, вода подается до полного насыщения горючего материала водой. Это еще в 2-3 раза увеличивает удельный расход воды на тушение реального пожара, доводя q^в_уд до 2-2, 5 л/м². Но при этом резко возрастает надежность Процесса тушения и исключается опасность повторного воспламенения. Наконец, на реальных пожарах удельный расход воды возрастает (в расчете на единицу площади пожара) пропорционально величине коэффициента поверхности горения К_П. Так как на реальных пожарах К_П ~ 1, 5-2, то удельный расход воды на тушение пожара возрастает до 4-5 л/м². Но тем не менее, с помощью этой величины можно рассчитать теоретически необходимый удельный расход воды на тушение реальных пожаров. Очевидно, что практический расход воды на тушение зависит от условий боевой обстановки, размеров площади пожара и ряда других осложняющих факторов. Но как показывает анализ статистических данных, величина удельного расхода воды на наиболее удачно потушенных пожарах вполне удовлетворительно описывается уравнением вида q^в_уд = f (F_П), которое для простейших пожаров в одноэтажных каменных зданиях I и II степени огнестойкости может быть записано в следующем виде:

q^в_уд = 0, 5 F_П,

где F_П - площадь пожара, м².

 

 

Литература

1. Пожарная безопасность. Энциклопедия. / М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007. 416 с.

2. Официальный сайт МЧС России. URL: http: //www.mchs.gov.ru.

3. Федеральный закон " О пожарной безопасности" от 21 декабря 1994 г. N 69-ФЗ

4. Федеральный закон " Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ

5. Федеральный закон " Об аварийно-спасательных службах и статусе спасателей" от 22 августа 1995 г. N 151-ФЗ

6. Федеральный закон " О защите прав юридических лиц и индивидуальных предпринимателей при осуществлении государственного контроля (надзора) и муниципального контроля" от 26 декабря 2008 г. N 294-ФЗ

7. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации (ППБ 01-03)

8. Строительные нормы и правила СНиП 21-01-97* " Пожарная безопасность зданий и сооружений"

9. Свод правил СП 12.13130.2009 " Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности"

10. Постановление Правительства Москвы " Об утверждении Правил пожарной безопасности в городе Москве" от 30 сентября 2008 г. N 880-ПП

11. Постановление Правительства РФ " Об утверждении требований пожарной безопасности при распространении и использовании пиротехнических изделий" от 22 декабря 2009 г. N 1052

12. Юрченко Д. и др. Научно-технический прогресс в пожарной охране. М., 1983

13. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров / Абдурагимов И.М. и др. Изд.: Высшая инженерная пожарно-техническая школа МВД СССР, 1980. С. 259

14. Справочник «Пожарная и аварийно-спасательная техника». Теребнев В. В., Семенов А. О., Моисеев Ю. Н., Грачев В. А., Тараканов Д. В., 440 стр.

15. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ. Изд. – В 2 кн./ А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. – М.: Химия, 1990.

16. Шувалов М.Г. Основы пожарного дела. М.: Стройиздат, 2003

17. Теребнев В. В., Подгрушный А. В. Пожарная тактика. Основы тушения пожаров. / Учебное пособие. Под общей редакцией М.М. Верзилина. Переработанное и дополненное издание. Допущено Министерством РФ по делам ГО, ЧС и ЛПСБ в качестве учебного пособия., 534 стр.

18. Дьяконов Н. М. Тактика тушения пожаров на объектах. – М.: Воениздат — 2004.

19. Теребнев В.В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. – 248 с.

20. Теребнев В.В., Подгрушный А.В. Пожарная тактика. – Екатеринбург: ООО «Изд-во «Калан», 2008. – 532 с.

21. Щербина Я.Я., Щербина И.Я. Основы противопожарной защиты. Киев, 1985

22. Савельев П.С. Пожары-катастрофы / М.: Стройиздат, 1983

23. Баратов А.Н., Андрианов Р.А., Корольченко А.Я., Михайлов Д.С., Ушаков В.А., Филин Л.Г. Пожарная опасность строительных материалов / Баратов

⇐ Предыдущая11121314151617181920

Поделиться: