автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Тушение смесевых топлив в резервуарах подачей пены под слой горючего

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ

ШАРОВАРНИКОВ Сергей Александрович

ТУШЕНИЕ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ В РЕЗЕРВУАРАХ ПОДАЧЕЙ ПЕНЫ ПОД СЛОЙ ГОРЮЧЕГО

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ

На правах рукописи

Шароварников Сергей Александрович

ТУШЕНИЕ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ В РЕЗЕРВУАРАХ ПОДАЧЕЙ ПЕНЫ ПОД СЛОЙ ГОРЮЧЕГО

Специальность 05.26.03. Пожарная безопасность

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД России.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Корольченко Александр Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шебеко Юрий Николаевич кандидат технических наук Грашичев Николай Кирилович

Ведущая организация: Главное Управление Государственной

противопожарной службы МВД России

Защита состоится (?199^г. в /с^часов на заседании ученого совета Д 052.03.01 в ВНИИПО МВД России по адресу: 143900, Балашиха-6, ВНИИПО МВД России

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИПО МВД России

Автореферат разослан У Ж 1997 года, исх. N_

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить во ВНИИПО МВД России по указанному адресу.

Телефон для справок: 521-29-00.

Ученный секретарь диссертационного совета , кандидат технических наук

А.Н.Шульга

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. По мере освоения менее опасных для окружающей среды автомобильных топлив, таких как бензин с добавками спиртов, становится актуальной проблема обеспечения пожарной безопасности резервуаров для хранения автомобильных топлив. В экологическом отношении смесевые топлива имеют явное преимущество перед бензином, поскольку не загрязняют атмосферу тяжелыми металлами и выделяют при сгорании минимальное количество окиси углерода . Содержание спирта в смесевых топливах достигает 20 % масс. В состав смесевых топлив входят спирты и компоненты, которые позволяют лучше совмещать спирты с бензином.

В последнее время в России проявляется повышенный интерес к подслой-ному способу тушения пожаров в резервуарах, в котором низкократную пену подают в основание резервуара - непосредственно в слой горючего. Предварительные исследования показали принципиальную возможность применения подслойного способа для тушения пламени смесевых топлив, но при этом должны использоваться фторсинтетические пенообразователи, в состав которых на ряду с фторированными стабилизаторами могут входить полимерные компоненты.

Известно, что тушение пожаров спиртов пенами затруднено из-за разрушения пен спиртами. Поскольку концентрация спирта в смесевых топливах достигает 20 %, то возникает вопрос о принципиальной возможности применения подслойной системы для тушения пожаров в резервуарах со смесевым автомобильным топливом. Поэтому, выявление механизма и определение оптимального режима и технологии тушения пожаров смесевых топлив подслой-ным способом является актуальной задачей .

Диссертация выполнена в соответствии с планом НИР ВНИИПО МВД РФ в рамках проведения работ, вытекающих из Федеральной целевой программы "ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И СОЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА на 1995-1997 годы" , п.4.1.5. "Обеспечить разработку противопожарных мероприятий и вывод из черты городской застройки объектов хранения нефти и нефтепродуктов".

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей процесса тушения пожаров смесей углеводородов с низкомолекулярными спир-

тами пленкообразующими составами, способными образовывать водную или полимерную пленку раствора пенообразователя на поверхности горючей жидкости при тушении пожаров, и на их основе определение оптимальной концентрации и режима тушения для подслойного способа тушения пожаров. Для осуществления поставленной задачи необходимо решить ряд экспериментальных и теоретических вопросов:

- провести экспериментальные исследования по тушению пламени смесевых топлив: при различном режиме ввода пены; при различном времени свободного горения; при различном содержании спирта в смеси; при различной концентрации пенообразователей ;

- выявить закономерности контактного разрушения пены;

- выявить оптимальную концентрацию пенообразователя с полимерным компонентом при подслойном тушении смесевых топлив;

- изучить механизм процесса тушения смесевых топлив пенами из пенообразователей с полимерными компонентами и разработать модель процесса тушения;

- создать экспериментальную установку, имитирующую систему подслойного пожаротушения;

- разработать рекомендации по оптимальному проведению процесса тушения смесевых топлив подслойным методом.

Научная новизна работы заключается в следующем :

- выявлена взаимосвязь между огнетушащей эффективностью фторированных составов и определяющими параметрами, включающими: пленкообразующую эффективность, коэффициент растекания раствора по поверхности смесевого топлива, поверхностное и межфазное натяжение водного раствора, пороговую концентрацию пенообразователя в водно-спиртовом растворе, при которой утрачивается поверхностная активность молекул фторированных стабилизаторов;

-определен оптимальный режим процесса тушения пламени смесевых топлив при различном режиме ввода пены с использованием различных типов фтор-синтетических пенообразователей, при различных температурах топлива;

- выявлен механизм стабилизации и контактного разрушения пен на поверхности смесевых топлив и выявлен механизм формирования на поверхности

органических жидкостей изолирующей пленки при контактном взаимодействии горючего с пеной ;

- создана экспериментальная установка, для определения основных параметров тушения смесевых топлив ;

Практическая значимость На основе результатов исследований :

- разработаны рекомендации по оптимизации процесса тушения пожаров смесевых топлив подслойным методом.

- разработаны и внедрены "Рекомендации по проектированию и применению системы подслойного тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах объединения АО "ТРАНСНЕФТЬ".

Апробирование материалов диссертации проведено на Международной конференции по проблемам информатизации систем безопасности (Москва,1995 г.), Международной конференции по проблемам безопасности крупных городов (Москва,1996), Научно-практической конференции «Пожарная безопас-ность96» (Москва, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов . Общий объем диссертации составляет 203- страницы, в том числе 94 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 129 наименований. На защиту выносятся:

- методика экспериментальных исследований процесса разрушения пен на поверхности смесевых топлив.

- комплекс результатов экспериментальных исследований по тушению пламени смесевых топлив подслойным способом, результаты исследования изолирующей эффективности и термической устойчивости пен.

- модель процесса тушения, в которой учтены эффекты, вызванные прохождением пены через смесевое топливо, а также результаты влияния кратности, капиллярного давления пенных каналов и структуры пены на время тушения;

- механизм тушащего действия пен, полученных из пенообразователей с полимерным компонентом, в котором детализируется влияние доли полимерного вещества на скорость растекания и эффективную толщину тушащего, слоя пены.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность определения степени влияния полярных добавок и вида фторированного пленкообразующего пенообразователя на процесс тушения пламени в резервуаре. Сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту. В первой главе представлен анализ научной литературы, которая отражает состояние вопроса по тушению смесевых автомобильных топлив, а также рассмотрены способы противопожарной защиты резервуаров с нефтепродуктами. Отмечено, что во многих странах активно внедряется новая система пожаротушения, которая позволяет вводить низкократную пену непосредственно в слой горючей жидкости в основание рузервуара.

Рассмотрены количественные соотношения, которые используются различными авторами для оценки времени тушения нефтепродуктов фторсинтетической пеной.

Анализируется природа контактного разрушения пен полярными растворителями. На основании данных, полученных при анализе научной литературы, обоснованы основные направления исследований.

Вторая глава содержит описание экспериментальных методов, характеристик пенообразователей'и компонентов смесевых топлив. В экспериментальной части работы использовали известные методы, например, методы измерения кислотности и вязкости растворов, измерения поверхностного и межфазного натяжения растворов, так и специфические методы, разработанные для изучения изолирующего действия водных пленок на поверхности углеводородов и смесей со спиртом.

Методика определения огнетушащей эффективности пленкообразующих фторсодержащих пен была дополнена устройством с регулируемой подачей воздуха. С помощью воздушной струи создавали конвективные потоки жидкости в приповерхностном слое, что позволяло проводить эксперименты со свежей, не расслоившейся смесью. Такая ситуация дает возможность проводить исследования в условиях, приближенных к реальным.

В экспериментах использованы фторсинтетические пенообразователи двух ти-ппи- некячкие. с высокой поверхностной активностью, способные образовы-

вать самопроизвольно растекающиеся водные пленки и вязкие, гелеобразные пенообразователи. Пенообразователи второй группы, наряду с фторированными поверхностно-активными веществами, содержали полимерный компонент- полисахарид.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса тушения смесевых топлив различными составами с использованием различных пенообразователей.

Экспериментальные огневые исследования показали, что во всех случаях увеличение содержания спирта в смесевом топливе ведет к снижению тушащей эффективности пенообразователей. Результаты некоторых исследований представлены на рис. 1-4 . Увеличение концентрации спирта ведет к повышению величины критической интенсивности и времени тушения. Тушение пожара нефтепродукта в резервуаре сопровождается накоплением и разрушением пены. Схематически этот процесс показан на рис. 5. Пена подается в резервуар снизу, через пенный насадок, непосредственно в смесевое топливо. В процессе подъема пена взаимодействует с горючим и формирует поток жидкости, который разносит ее к стенкам резервуара. В результате контактного взаимодействия пены с горючим, в процессе ее подъема и при растекании по зеркалу жидкости, часть пены разрушается. В зависимости от величины интенсивности подачи пены и агрессивности горючей смеси устанавливается соответствующая скорость накопления пены и ее продвижения по горящей поверхности. По мере накопления пены формируется пенный слой, который постепенно закрывает горящую поверхность.

В четвертой главе проведен анализ результатов эксперимента. Для анализа конкретных моделей процесса тушения определены причины разрушения пены и получены в явном виде выражение для расчета удельной скорости разрушения. Рассмотрен механизм контактного взаимодействия пены со смесе-вым топливом, при этом выделены два самостоятельных направления, связанные с типом использованного пенообразователя. Влияние температуры горючего

Существенное влияние на процесс тушения смесевых топлив оказывает температура горючего (рис.2.) Так при повышении температуры топлива, содержащего 20% этилового спирта, с 40 до 50 °С, время тушения увеличилось на

40% . Чем больше доля спирта в смеси, тем значительнее сказывается влияние температуры горючего на процесс контактного разрушения пены. В экспериментах температуру горючего повышали, как за счет предварительного нагревания смеси, так и в результате обеспечения более длительного времени свободного горения топлива.

Закономерности формирования пограничного слоя пены Огнетушащее действие пен определяется, прежде всего, их способностью резко снижать скорость поступления паров горючего в зону горения. Механизм проникновения паров горючего через слой пены определяется структурой границы контакта пены с растворителем и характером их взаимодействия. Структура пограничного слоя, формирующегося при соприкосновении пены с жидкостью зависит от соотношения величин поверхностного натяжения раствора в пенных пленках и смешанного растворителя. Условием растекания водного раствора по поверхности углеводорода является снижение свободной энергии системы после образования водной пленки, то есть поверхностная энергия углеводорода и водной пленки должна быть ниже, чем у исходного углеводорода.

Самопроизвольное растекание водной пленки произойдет, при условии: /l/О =О0- (Cl+CTio) > 0 (1)

где : /ш - коэффициент растекания раствора по горючему, мН/м; с0 - поверхностное натяжение горючей жидкости, мН/м; Сг поверхностное натяжение рабочего раствора, мН/м; ст10 - межфазное натяжение между рабочим раствором и горючей жидкостью.

В этом случае пленка будет равновесной и устойчивой. Если величина коэффициента растекания раствора пенообразователя по горючей жидкости больше нуля, то формируется пограничный слой, схема которого представлена фрагментом "а" на рис.6. Наличие сплошной водной пленки практически прекращает испарение органической жидкости, поскольку коэффициент диффузии молекул горючего в воде на 4...5 порядков ниже, чем в воздухе, а растворимость углеводорода в водной пленке очень мала.

Обеспечить условие /ш>0 удается только при использовании особой группы фторсодержащих пенообразователей, применение которых позволяет снизить

поверхностное натяжение водного раствора до необычайно низких величин -меньших, чем поверхностное натяжение углеводорода. Этот случай ("а" рис. 6) описывается следующим набором параметров:

/i/o>0; /ш>/о/Г, О) «<з0 (2)

Параметр /0л вводится для демонстрации возможности растекания углеводородной смеси по водному раствору, если концентрация пенообразователя очень мала и не обеспечивает существенное снижение поверхностного натяжения. В случае ("б" рис. б.), который характеризуется набором:

/i/o < 0; /i/o>/o/u wi < Сто (3)

термодинамически устойчивая водная пленка на горючей жидкости не образуется, т.е. поверхность горючего покрыта не сплошной пленкой. Профиль контакта пенных пленок с топливом выглядит в виде смачивающих, но не растекающихся менисков. Возможно образование неравновесной пленки особенно при использовании высоко дисперсных пены. В этом варианте существует поверхность испарения, хотя она минимальна. Следующий вариант, когда величины поверхностного натяжения раствора и горючего близки или равны друг другу:

/i/o>/o/u /ш< 0; cti»ct0 (4)

Водная пленка на границе раздела отсутствует. Пенные пленки и каналы ограниченно смачивают горючую жидкость. Пограничный слой пузырьков сверху замкнут пленками раствора, а снизу - органической жидкостью. В этой ситуации возникает устойчивая поверхность испарения. Площадь открытой поверхности испарения жидкости определяется дисперсностью пены - фрагмент "в" (рис.6);

/i/o «/о/ь /i/o < 0; СТ1>СТ„ (5)

Пенные пленки смачиваются углеводородом. Поверхность испарения большая, поскольку пограничный слой пенных пузырьков в большей мере образован горючей жидкостью- фрагмент "г" на рис; 6. Эта и предыдущая "в" ситуации реализуются при использовании в растворе недостаточной концентрации пенообразователя, или, когда молекулы пенообразователя выпали в осадок в результате взаимодействия с солями, или концентрат пенообразователя не успел раствориться в воде за короткий промежуток времени от момента эжскщщ

в водный поток до попадания в пеногенератор. Наконец, такая ситуация может возникнуть при использовании некондиционного пенообразователя, котоый в принципе не может обеспечить низкое поверхностное натяжение рабочего раствора.

Анализ процесса разрушения водных пленок при контакте со смесями углеводородов и спиртов

Огнетушащая эффективность фторсинтетических пенообразователей и низкократных пен, полученных на их основе, определяется изолирующим действием водных пленок. На рис. 7 показаны результаты испытаний изолирующего действия водных пленок, как на чистом углеводороде, так и на смеси гептана с изопропанолом. Время изолирующего действия пленок резко снижается по мере увеличения доли спирта в смеси.

Механизм формирования изолирующих пленок проходит через стадию их самопроизвольного растекания и образования изолирующего слоя, как под пеной, так и на открытой поверхности топлива. Скорость процесса разрушения изолирующих водных пленок, определяется интенсивностью диффузионного проникновения или экстракции спирта из смесевого топлива. По мере накопления молекул спирта в пограничном слое формируется размытый слой, состоящий из смеси водного раствора со спиртом. Разрушение изолирующей пленки происходит из-за десорбции молекул пенообразователя с межфазной границы. Процесс диффузионного проникновения спирта из смесевого топлива показан на рис.8.

Сопоставление критической интенсивности подачи пены .1кр с временем изолирующего действия, показало их взаимосвязь. Практически синхронно с ростом доли спирта увеличивается .)кр и снижается время существования водной пленки. Во всех случаях снижение способности к пленкообразованию ведет к росту величины критической интенсивности подачи пены. Следовательно, на экспериментальном материале удалось подтвердить, что огнетушащая эффективность определяется пленкообразующей способностью пенообразователей.

0,02 0,М 0.06 0,08 0,10 Интенсивность подачи пены, к.г.';м!-с)

Рис. 1. Время псдслойного тушения смесевого топлива гептан-изопропанол пенообразователем "Универсальный"

_ _[...... ;

0 0,02 0,04 0.06 0 08 0,10 0,12

Интенсивность гвдачи пены. кт/(м'- с)

Рис.2. Влияние температуры горючего на времени тушения смесевого топлива (гептан 85% - ИПС 15%) из пенообразователя "Финифлам 3x5"

130-------«---

т

Гептан 654 ИПС 154 О Экоперммвнг ■ Расчет Гептан 954

иге: 54 ~ Эксперимент 7 Расчет

i

5 200.

О 0.02 0.04 0,06 0,08 0.10 0.12

Интенсивность под»« пены, с'(и'.с)

Рис.3. Сравнение эксперимента и расчета при тушении смеси бензина и изопропилового спирта пенообразователем 'ТС-203А"

; — з% р»с™оо

' «Рэсгаор | , ПЬРктезр ; А |%ркщ|

О 5% Раствор 1 • 14.5%

О 0.04 0.08 0.12

Интенсивность подам пены, кг^и'-с)

Рис.4. Влияние концентрации пенообразователя ФС-600 на время тушения смесевого горючего (80% бензин АИ-95 и 20% ИПС)

Анализ изотерм поверхностного и межфазного натяжения показал, что по мере увеличения доли спирта в топливе, снижается величина межфазного натяжения, и при некоторых концентрациях граница раздела фаз размывается. Как правило, эти составы наиболее активно разрушают пену, особенно при повышенных температурах.

Процесс контактного разрушения пены, параметры которого соответствуют фрагментам "б" и "с", рис.6., представлен на рис 8. Разрушение пенных пленок происходит в результате:

-образования в пограничном слое, в пенных каналах смеси спирта с раствором;

- растворения молекул фторированных ПАВ в смешанном растворителе;

- десорбции молекул стабилизатора с поверхности пенных пленок. Устойчивость пены будет тем выше, чем больше поверхностная активность молекул пенообразователя в водно-спиртовом растворе. Величина предельного содержания неводного компонента в смеси, при которой утрачивается поверхностная активность молекул пенообразователя, может служить показателем агрессивности органических соединений к пене.

Величину критической интенсивности определяли из эксперимента. При этом учитывали, что интенсивность является оптимальной, если ее применение обеспечивает максимально возможную, в заданных условиях, удельную скорость тушения. Следовательно, критерием оптимальности процесса принята удельная скорость тушения.

Удельную скорость тушения -иг определяли по соотношению:

иг = (8о/тт)/ш (6)

где ту. время тушения, с; Эо - площадь поверхности горючего, м2; ш - масса пены, затраченная на тушение, кг.

Для графического определения оптимальной интенсивности тушения на диаграмме зависимости удельной скорости тушения - иг от интенсивности подачи пены - Л, ( рис.9 ) находили максимум. Его проекция на ось абсцисс указывает на величину оптимальной интенсивности ..

На рис.9 представлены диаграммы зависимости удельного расхода пенообразователя на тушение единицы поверхности и удельной скорости тушения.

Рис.5. Схема процесса формирования пенного слоя при подслойной подаче пены

ш

Рис.6. Фрагменты структуры пограничного слоя пены с горючей жидкостью (пояснения в тексте)

О 5 10

Время, мин

Рис.7. Интенсивность испарения гептана и смесевого топлива из-под пленки пенообразователя "Эксгшрол"

Рис.8. Иллюстрация процесса разрушения пены в результате образования водно-спиртовой смеси в пенных каналах

Кратность пены

Обеспечение максимального выхода водного раствора с пеной на поверхность горящей жидкости зависит от величины кратности пены. Экспериментально установлено, что часть водного раствора отделяется от пены в процессе ее подъема к поверхности и опускается на дно резервуара. Этот раствор потерян для тушения пожара. Чем ниже кратность пены, тем больше потери раствора, тем сильнее фактическая интенсивность подачи пены отличается от расчетной. Из опытов, проведенных в резервуарах различного диаметра, установлено, что:

при кратности пены 2,5-3,0 потери пенообразующего раствора превышают 70-80%, от исходного раствора в пене; при кратности пены 3,0-4,0 потери составляют не менее 50 %; при кратности пены 4,0-5,0 потери составляют не менее 30 %; при кратности пены 5,0-6,0 потери составляют не менее 20 %.

При равной величине кратности большие потери раствора в пенах с большим средним диаметром пенных пузырьков. Дальнейшее увеличение кратности пены замедляет самопроизвольное растекание раствора по поверхности углеводорода! Это происходит из-за роста капиллярного давления пенных каналов, которое препятствует истечению раствора. Кроме этого, пена кратностью более 7,0 захватывает горючее внутрь и этим снижает собственное изолирующее действие.

Удельные затраты пены на тушение единицы поверхности зеркала горючего -(} определяли по формуле:

<3 = .1тт (7)

Кривые расхода пены имеют экстремальный характер, т.е. первоначально, с ростом интенсивности удельный расход пены снижается достигая минимум при некоторой интенсивности, но далее удельный расход пены нарастает, т.е. затраты пены становятся больше, несмотря на увеличение интенсивности. Пример сравнительного анализа результатов огневых экспериментов для двух пенообразователей представлены в таблице.

Таблица 1

Зависимость критической интенсивности (1кр) и удельного расхода пенообразователей " РС-203" и "Универсальный" от содержания спирта в смесевом топливе (Гептан-ИПС).

Пенообразователь" РС-203" Пенообразователь "Универсальный"

Сипе,% .1кр, кг/(м2 с) мт Сипе, % ,1кр, кг/(м2 с) мт

0,0 0,05 2,1 0,0 0,027 3,9

5,0 0,021 2,7 5,0 0,037 5,5

10 0,034 3,9 10 0,058 9,5

15 0,044 7,3 15 0,073 14

20 0,081 16,2 20 0,107 20,9

При концентрации спирта менее пяти процентов характер тушения практически не отличается от тушения углеводородов, но превышение этого предела резко сказывается на устойчивости пены. Наиболее отчетливо это влияние прослеживается на примере пенообразователя "Универсальный". Аналогичные результаты получены для всех исследованных в данной работе фторсинтетических пенообразователей. Известно, что фторсинтетические пенообразователи при нагревании их водного раствора до температуры кипения, не утрачивают поверхностной активности. В этом случае пена разрушается в результате испарения воды от термического воздействия факела пламени. Ниже представлено уравнение материального баланса пены, включающее: контактное поверхностное, контактное боковое и термическое разрушение пены:

Ч(И = и0(1- е )9 Бо Л + и^ьсК + и^е Л + рИБосШ (8)

Выражение для удельной скорости термического разрушения пены заимствовано из литературы (Грашичев Н.К.)

где ч - расход пены, кг с'1; 8 - степей!» покрытия поверхности горючей жидкости, 9 = Б/Б,,; Бг, Б« - площади поверхности горючего и пеныЬ- средняя толщина пенного слоя, м; р - плотность пены, кг м"'; - удельная контактная скорость разрушения пены, кг м"2с"'; I - время, с; Бь ■ суммарная площадь «боковой» поверхности пены, м2, которую определяли путем деления объема пены в горючей смеси ;

В результате решения дифференциального уравнения (10), с учетом граничных условий:

1 = 0,6 = 0; 1 = 1Т, е=1,

получена формула, которая после ее упрощения, путем представления первым членом ряда Маклорена, имеет вид:

1Т = рЬ (ик+и„) / 41Ш-В) (9)

где

В е и^ь/Бо + Ш4 + ик/2 + ик2/4и„, (10)

при этом, относительная погрешность расчета времени тушения составляет 15%. Формула (9 ) позволяет оценить время тушения смесевого топлива с известным содержанием спирта. На рис.3, приведено сопоставление экспериментальных данных с расчетом, по формуле (9). Следует отметить удовлетворительное совпадение экспериментально полученного и расчетного времени тушения пламени смесевого топлива, при подаче низкократной пены под слой горючего.

Анализ процесса тушения смесевого топлива пенообразователями с полимерным компонентом

Основное отличие процесса тушения смесевых топлив пенообразователями с полимерным компонентом связано с механизмом стабилизации пены на поверхности горючего. При соприкосновении с горючим пена разрушается и формирует толстый полимерный слой на поверхности горючего. В дальнейшем пена продвигается по полимерному слою, который предотвращает непосредственный контакт пены с агрессивным растворителем.. Наличие полимера в водном растворе, с одной стороны защищает пену от контакта с растворителям и обеспечивает повышенную устойчивость пены к воздействию теплового потока от пламени, но с другой стороны, повышенная концентрация полимерного компонента снижает скорость самопроизвольного растекания пены из-за ее высокой вязкости. Отсюда возникает необходимость проведения оптимизации содержания полимерного-компонента в рабочем растворе, из которого образуется низкократная пена.

Пенообразователи с полимером - полисахаридом представляют собой вязкую жидкость с консистенцией геля. Эти растворы относятся к неньютоновским

жидкостям, особенность которых связана с зависимостью эффективной вязкости от скорости течения геля.

Результаты исследований показали определяющую роль концентрации полимерного компонента в пене. На рис.4, показаны результаты тушения смесе-вого топлива, пенообразователем «РС-600», типичным представителем поли-меросодержащих пенообразователей, при разных концентрациях в рабочих растворах .

Сложность процесса формирования разделительной пленки позволяет провести лишь приближенное рассмотрение характера взаимодействия этих пен с органическими растворителями. Для обеспечения устойчивости пены на агрессивном растворителе разделительная пленка должна обладать малой проницаемостью для молекул органического соединения. Кроме этого, пленка должна быть достаточно эластичной и прочной, чтобы выдерживать местные напряжения, а также внешние возмущения и касательные напряжения, возникающие при движении жидкости-подложки.

По мере смешения пенообразующего раствора и органического растворителя происходит фазовое расслоение системы, так как полимерное вещество, содержащееся в пенообразователе, оказывается в пересыщенном состоянии по отношению к образовавшейся водно-органической смеси. Поэтому существенное влияние на структуру формирующейся полимерной пленки должны оказывать собственная поверхностная активность пенообразователя и степень пересыщения полимерного вещества. Работа образования новой фазы пропорциональна величине межфазного натяжений, поэтому важно, чтобы используемые ПАВ заметно снижали величину этого показателя. До разрушения пены и смешения водного раствора с органическим растворителем в горизонтальной плоскости пены должна сформироваться полимерная сетка. Условием плавучести сетки на поверхности органической жидкости является пониженное поверхностное натяжение у пенообразующего раствора по отношению к спирту. В этом случае выделяющийся раствор полимера приобретает способность к растеканию по подложке, что обеспечивает формирование однородной структуры пленки.

Увеличение доли полимерного компонента в рабочем растворе, ведет к увеличению вязкости водного раствора в пленках и вязкости пены в целом.

Экспериментально установлено, что термическая устойчивость пены растет пропорционально концентрации полимерного компонента. Результаты экспериментальных измерений представлены на рис.10.

В исследованном диапазоне концентраций зависимость термической устойчивости от величины обратной удельной скорости разрушения пены удовлетворительно описывается линейной зависимостью (рис.10):

и0=[(1/и,)/С11/С = р/С (11)

где С- концентрация полимера, %об.; иг удельная скорость термического разрушения пены при концентрации равной Сь кг м"2 с"1;

Р^(1/и,)/С, (12),

т.е. это удельная термическая устойчивость пенного слоя.

Величина параметра р зависит от природы полимера, фторсодержащих 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 увеличения доли полимера, средняя толщина пенного слоя увеличивается. Результаты экспериментальных измерений представлены на рис.11. Так же, как и в случае термической стабильности, средняя толщина пенного слоя линейно возрастает с концентрацией полимера в рабочем растворе. Эту зависимость можно представить эмпирической формулой:

Ь = Ьо+аС , (13)

где а = Ь]/С1 при этом , Ьг средняя толщина пенного слоя при концентрации полимера С], м.

Подставив выражение для Ь (13)иЦо(11)в формулу (9), получим :

1Т= р(Ьо + аС) (ик+ (5/С) / 4(Р/С) (I - В), (14)

Анализ соотношения (14) показывает, что зависимость времени тушения от концентрации полимерного компонента проходит через минимум, положение которого определяет оптимальное содержание полимера в рабочем растворе пенообразователя. Результаты эксперимента подтверждают это предположение. На рис.4, показано влияние концентрации полимерного пенообразователя

18

на критическую и оптимальную интенсивность подачи пены, при тушении пламени различными пенообразователями. Экстремальная зависимость получена, также для минимального удельного расхода пены ( рис.12.). Сопоставление экспериментальных результатов на примере пены, полученных из пенообразователя БС-бОО, с расчетом по формуле (14) показали удовлетворительное совпадение с экспериментом, что позволяет говорить о

реальности разработанного в диссертации механизма процесса подслойного тушения смесевого автомобильного топлива низкократными пенами.

Таблица 2

Оптимальные параметры процесса подслойного тушения смесевого топлива

N п\п Наименование пенообразователей Оптимальная концентрация, % Оптимальная интенсивность кг/(м2 * с) Критическая интенсивность кг/(м2 ♦ с)

Пенообразователи пленкообразующие

1. "Универсальный" > 12,0 0,126 0,102

2. "ФС-203А" >6,0 0,094 0,076

3. "Штамер-З" >5,0 0,095 0,077

4. "Гидрал-3" >7,0 0, 110 0,082

5. "Финифлам НВ не менее 4,0 0,092 0,073

Пенообразователи содержащие полимерный компонент

7. "ФС-600" 4,6 ± 0,2 0,083 0,062

8. "Гидрал-АРЦ" 4,4 ± 0,2 0,081 0,057

9. "ФС-603" 2,4 ±0,1 0,089 0,067

10 "АнсулитЗхЗ" 2,7 ±0,1 0,092 0,070

11 "Универсальный-П" не менее 10,0 0,116 0,088

12 "Финифлам 3x5" 4,5 ± 0,2 0,086 0,065

В пятой главе описаны " Рекомендации по проектированию системы подслойного тушения пожаров смесевых автомобильных топлив в стальных вертикальных резервуарах", которые разработаны с использованием результатов диссертационных исследований. На основе анализа состава горючего, характеристики резервуара и оперативно-технической характеристики объекта предложены основные тактико-технические характеристики системы подслойного тушения пожаров:

10.5л _ аумраанмм

Ь 8.3 - ИПС

£ _2_20Ч ИПС

> ».

________

- о

0 Ш ОСА 0,26 0.06 0.01 0.О12 №пеисмность подачи пены, кг/(и -с)

Рис.9. Удельный расход пены и скорость тушения ("ФС-203А") сме-севого топлива с различным содержанием спирта

0,06 5

О 2 4 <> 8 10

Киишраш пенообршшем. % об.

Рис.10. Влияние концентрации пенообразователей с полимерным компонентом на удельную скорость термического разрушения пен

¿1. ФС-600

О Ансутшт ~ ГидралАРС

Кошемтрмия. % об.

Рис.11. Влияние концентрации полимерного компонента в пенообразователях с на среднюю толщину пенного слоя после тушения

Коммнграция пенообразователя в растворе. % масс.

Рис.12. Зависимость минимального удельного расхода пены от концентрации пенообразователя РС-600 с полимерным компонентом

расходные характеристики по пенообразуюшему раствору:

- нормативная интенсивность подачи пленкообразующей пены;

- расчетная величина кратности пены;

- расчетное время тушения;

- расход водного раствора пенообразователя;

- рабочая концентрация пенообразователя;

- нормативный запас пенообразователя для отдельной площадки. Параметры системы образования и ввода пены:

- количество пеногенераторов с фиксированным расходом;

- количество насадков для ввода пены;

- расстояние и расположение насадков в резервуаре;

- запас воды необходимый для тушения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. На основе комплекса проведенных исследований показана принципиальная возможность применения подслойного способа тушения пожаров для защиты резервуаров со смесевым углеводородно - спиртовыми топливами низкократными фторсинтетическими пенами.

2. Выявлены основные закономерности тушения пламени смесевых топлив пенообразователями двух типов: фторсинтетическими пенообразователями без и с полимерными компонентами. При этом определяющим фактором стабилизации пен, является соотношение поверхностнного натяжения пенообразую-щего раствора и смесевого топлива, а контактное разрушение пены проходит через стадию образования водно-спиртовой смеси в пенных каналах и потери поверхностной активности молекулами пенообразователя.

3. Показано, что увеличение концентрации спирта в смеси с углеводородом с 5% до 15% приводит к повышению критической и оптимальной интенсивности подачи пены в два-три раза, при этом удельный расход пены на тушение единицы поверхности возрастает с 2,5 кг/м2 до 10 кг/м2.

4. Показано, что увеличение температуры смесевого топлива изменяет условия тушения. Возрастание температуры горючего до 40 С0 ведет к увеличению оптимальной интенсивности подачи пены из фторсинтетических пенообразователей на 50-80%.

5. Установлено, что в ряду спиртовых добавок ( метанол, этанол и изопропа-^ нол), наиболее агрессивной к пенам, в отношении тушения пламени, является изопропанол.

6. Предложен механизм формирования и разрушения изолирующих пленок, который включает диффузионное растворение - экстракцию спирта из смесе-вого топлива и формирование размытой межфазной границы, состоящей из смеси водного раствора со спиртом. Разрушение изолирующей пленки происходит из-за десорбции молекул пенообразователя с межфазной границы. Показано, что изолирующая эффективность пленок из фторсинтетических пенообразователей утрачивается при достижении концентрации спирта, в смеси с углеводородом , равной 10% об..

7. Выявлен механизм процесса тушения смесевых топлив пенообразователями с полимерным компонентом, в котором учитывается двойственное действие полимерного компонента, который с одной стороны повышает термическую устойчивость пены, а с другой замедляет процесс растекания и ведет к накоплению избыточного слоя пены.

8. Выявлены условия повышения контактной устойчивости пен на поверхности органических растворителей, включающие изоляцию пены от горючей жидкости полимерной разделительной пленкой и обеспечение молекулами ПАВ, стабилизирующих пену, поверхностной активности в концентрированных водно-органических растворах.

9. Предложен метод направленного регулирования основных параметров процесса тушения - величины оптимальной интенсивности и удельного расхода пенообразователя за счет изменения концентрации полимерного компонента в рабочем растворе пенообразователя.

10. Предложены полуэмпирические соотношения для оценки зависимости времени тушения смесевого топлива от природы пенообразователя и его концентрации в растворе.

11.. Разработаны рекомендации по проектированию системы подслойного тушения пожаров резервуаров со смесевыми автомобильными топливами ( бензина со спиртами), низкократной фторсодержащей пеной.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Корольченко А.Я., Шароварников С.А.. Проблемы тушения смесевых топ-лив подачей пены под слой горючего // Научно-техническое обеспечение деятельности государственной пожарной службы : Сб. науч. тр. - М.: ВНИИ-ПОД996. - С.152-158.

2. Шароварников С.А., Корольченко А.Я., Крымов A.M.. Обеспечение пожарной безопасности резервуаров со смесевыми топливами // Пожарная безопас-ность96: Тезисы докладов Научно-практической конференции. - М.: МИПБ.1996. - С. 167-170.

3. Корольченко А.Я., Шароварников С.А.. Тушение смесевых топлив фторсо-держащими пенообразователями // Трансп. и хранение нефтепродуктов. -1996.-N 8-9.- С.14-17.

4. Корольченко А.Я., Шароварников С.А.. Огнетушащая эффективность фтор-синтетических пенообразователей с полимерным компонентом при тушении смесевых топлив // Пожаровзрывобезопасность, 1997, т. 6., N3, с.48-51.

5. Молчанов В.П.,Шароварников А.Ф., Воевода С.С., Шароварников С.А., Крымов A.M.. // Закономерности тушения нефтепродуктов в условиях интенсивного движения жидкости при подаче пены в слой горючего Научно-техническое обеспечение деятельности государственной пожарной службы : Сб. науч. тр. -М.: ВНИИПО ,1996. - С.129-137.

6. Крымов А.М., Шароварников С.А.. Теория получения противопожарных пен высокой кратности // Пожарная безопасность96: Тезисы докладов Научно-практической конференции. - М.: МИПБ ,1996. - С.163-167.

Шароварников С.А.

Подписано и печать 19.12.97 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,40.

____Т. - 100 экз. Заказ № 183._

Типография ВНИИПО МВД России. 143900, Московская об.!., Б/иашимшскии р-н, нос. ВНИИПО. (). 12