ных топлив, что позволило создать способ направленного регулирования огнетушащего действия пленкообразующей пены путем изменения скорости образования и растекания пленки.

Скорость растекания пленки связана с величиной термодинами-1 ческого коэффициента растекания, причем увеличение коэффициента растекания с 0,3 мН/м до 0,5 мН/м приводит к росту скорости растекания с 0,3 10 м/с до 1,0-10 mVc, причем скорость растекания водной пленки снижается от 1,5-10 м/с до 0,11 • 10-3 м-/с с ростом электрокинетического потенциала с -20 до -80 мВ в системе водная пленка-углеводород при условии, что коэффициент растекания равен 0,11 мН/м.

Применение пленкообразующей пены для тушения пожаров углеводородных топлив, позволяет снизить удельные затраты пенообразователя на 20...40% и сократить время тушения на 25...50%.

6.2. Закономерности тушения горючих жидкостей охлаждением поверхности распьшенной водой

Механизм тушения пожаров горючих жидкостей с высокой температурой вспышки определяется физико-химической природой и составом жидкости, а также дисперсностью капель воды.

Независимо от характера взаимодействия распыленной воды с горящей жидкостью потухание пламени может произойти только после охлаждения зоны горения до температуры потухания, что может быть достигнуто различными способами:

• охлаждением непосредственно зоны горения за счет испарения капель воды;

• снижением тепловыделения в зоне горения в результате;

• разбавления горючей смеси водяным паром;

• снижения скорости поступления горючего пара в результате охлаждения поверхности или разбавления горючей жидкости водой.

Процесс тушения пламени воздействием распыленной воды на зону горения, как правило, непродолжителен и составляет несколько секунд. Применение водных струй с высокой степенью распыла ограничивается областью тушения небольших резервуаров с помощью передвижной техники, использующей специальные распылители и насосы высокого давления.

В автоматических системах пожаротушения в качестве диспергирующих устройств используются дренчеры и спринклеры, кото-

рые обеспечивают грубодисперсный распыл воды, где средний диаметр капель около 2 мм. Оросители устанавливаются на потолочных пере-крытиях, поэтому мелкодисперсная фракция распьшенной струи испаряется в нагретых продуктах горения.

Капли крупных размеров практически не испаряются в газовой фазе как вследствие их высокой скорости полета, так и малой удельной поверхнос га теплообмена. В этом случае тушение ГЖ, имеющих температуру вспышки более 90 °С, происходит из-за охлаждения поверхности до температуры ниже, чем температура вспышки, при которой скорость испарения горючей жидкости недостаточна для создания необходимой для горения концентрации горючего в газовой смеси с воздухом. Процесс тушения в этом случае сводится к двум аспектам:

• собственно охлаждение поверхности;

• поглощение теплового потока, идушего от факела пламени к поверхности горючей жидкости каплями воды.

При горении жидкостей, имеющих температуру кипения выше, чем температура окружающей среды, температура поверхности жидкости всегда ниже температуры ее кипения, поскольку часть тепла из поверхностного слоя непрерывно отбирается на испарение горючей жидкости.

Вопрос об охлаждении поверхности, представляющей собой фаницу раздела «пар-жидкость», является неоднозначным в смысле постановки краевых условий в задаче о теплообмене в процессе тушения охлаждением поверхности ГЖ. Теоретически, для достижения условия потухания пламени достаточно охладить до температуры вспышки тончайший слой жидкости, примыкающей к границе раздела «жидкость - пар», причем толщина этого слоя должна быть не меньше размера испаряющихся молекул, а максимальное его значение опре-деляется диафаммой изменения фундаментального параметра сис-темы-плотности. Именно этот параметр является индикатором перехода жидгаэсти в пар.

Плотность на фанице раздела меняется скачкообразно и синхронно с этим параметром меняются теплоемкость, теплопроводность и ряд других параметров, определяемых концентрацией молекул в единице объема.

в отличие от твердых тел, где передача тепла от поверхности осуществляется за счет молекулярной теплопроводности, в жидкостях теплопередача преимущественно происходит путем конвекции, т. е. молекулы жидкости непрерывно перемещаются из поверхностного слоя вглубь жидкости и из близлежащих слоев к поверхности раздела.

Таким образом, от понятия «граница раздела» необходимо перейти к «поверхностному слою» и далее - к нагретому поверхност-но-му слою жидкости. Естественно, что в условиях конвективного переноса тепла в поверхностном слое, нагретом до температуры выше, чем температура вспышки, охладить поверхность до хемпературы вспышки удается только после съема избытка тепла, запасенного в нагретом поверхностном слое.

Учитывая, что толщина поверхностного слоя, нагретого до температуры вспышки, не превышает десяти-пятнадцати миллиметров, и принимая во внимание высокую скорость полета и размер капель воды, можно представить, что процесс охлаждения поверхности водой дол-жен вызвать энергичное перемешивание жидкости в поверхностном слое и конвективный тепловой тепло- и массообмен между нагретым поверхностным слоем и жидкостью в глубине. Последний эффект указывает на дополнительный фактор, способствующий охлаждению поверхностного слоя при тушении пламени ГЖ водой за счет его перемешивания с «холодными» нижележащими слоями жидкости.

В принципе, при тушении ГЖ водой возможна ситуация, в которой горючая жидкость имеет плотность, близкую к воде. В этом случае капли воды могут испаряться в течение небольшого периода времени в режиме «зависания» непосредственно над горящей поверхностью.

Таким образом, тушение пожаров ГЖ* охлаждением поверхности распыленной водой практически ведет к охлаждению поверхностного слоя жидкости, нагретого в процессе горения до температуры ниже температуры вспышки горючего.

В процессе тушения ГЖ грубодисперсной распыленной водой , поток воздуха, эжектируемый струей распыленной воды, с одной стороны, меняет форму факела пламени, который прижимается к поверхности ГЖ и резко увеличивается по площади, и с другой

увеличивает температуру в зоне горения за счет интенсивного перемешивания паров ГЖ с воздухом. Визуально отмечается образование на поверхности стоячих волн, что ведет к увеличению поверхности испарения в процессе тушения.

Естественно, что при тушении грубодисперсной водой факел пламени исчезает только после охлаждения поверхностного слоя до температуры вспышки, поэтому момент тушения пламени соответствует достижению поверхностью температуры вспышки. Средняя температура поверхностного слоя в стационарном режиме горения поддерживается в результате динамического равновесия установив-шихся тепловых потоков от факела пламени к поверхности и от поверхностного слоя вглубь жидкости и на испарение горючего с установившейся скоростью выгорания. При подаче распыленной юды установившееся динамическое равновесие нарушается. Распыленная вода резко снижает интенсивность лучистого потока тепла, идущего от факела пламени к поверхности, при этом температура воды в каплях возрастает.

При некоторой интенсивности подачи возникает ситуация, когда доля тепла, поступающего от факела пламени к поверхностному слою, станет равной тепловому потоку, который отбирается водой от поверхностного слоя. В этой ситуации температура поверхностного слоя начнет понижаться за счет теплоотвода вглубь жидкости, и пламя однозначно потухает через промежуток времени, который определяется интенсивностью теплоотвода вглубь резервуара. Эта интенсивность еще не критическая.

В условиях, когда время тушения затягивается и составляет период 5... 10 минут, заданной интенсивности подачи воды оказывается недостаточно для компенсации теплового потока, поступающего от факела пламени к поверхностному слою. Поэтому время тушения будет большим, а интенсивность подачи воды станет явно критической.

(6.18)

Qw Qw dz В соответствии с проведенным анализом, величина критической интенсивности подачи воды-может быть выражена соотношением:

{a-dT)/{QgdZ) , где - удельная массовая скорость выгорания ГЖ в установив-1 шемся режиме горения; Q„ - низшая теплота сгорания; „ - удельное количество тепла, отбираемое водой от поверхностного слоя ГЖ в процессе тушения; -удельная теплота испарения ГЖ; п-доля от теплоты пожара, поступающая на поверхность ГЖ; а - эффективное значение теплопроводности ГЖ в поверхностном слое; Z - толщина прогретого слоя.

6.3. Изменение основных параметров очага горения в процес-] се тушения распыленной водой

В качестве основных параметров очага пожара-горящей жид-i кости, определяющих баланс тепла и массы в процессе тушения дой, рассматриваются:

• скорость выгорания (испарения) ГЖ;

• температура в зоне горения (факела пламени);

• температура поверхности жидкости;

• коэффициент использования воды при тушении. Полагая, в первом приближении, что скорость выгорания :

кости численно равна скорости ее испарения в условиях пожара, мож но выявить однозначную взаимосвязь между основными параметра ми, характеризующими тепловой режим горения.

В установившемся режиме горения скорость выгорания опр деляется потоком тепла от факела пламени к поверхности жидкости]

«„« = [0(7,-Г,)]/

(6.19)

где uj - удельная скорость выгорания ГЖ, кг/(м-с); Т„ - тел пература факела пламени и поверхности ГЖ; а - коэффициент тег лоотдачи, Дж/(см-К); - удельная теплота нагревания и испарения ГЖ, Дж/кг.

Коэффициент теплоотдачи определяется из эксперимента и его величина практически постоянна при горении веществ одного гомологического ряда. Так, для пожаров углеводородов а = 24 ±2 Дж/ (с мК). При горении метанола и альдегидов, в молекулах которых количество атомов кислорода не меньше, чем утерода, пламя практически прозрачно, поэтому лучистый поток к поверхности горения заметно ниже, чем при горении углеводородов. Для этих систем величина « = 18±1 Дж/(с.мК).

Формула (6.19) показывает взаимосвязь основных параметров в процессе горения. Скорость выгорания будет тем выше, чем больше температура пламени и чем ниже температура поверхности горения.

Удечьная скорость выгорания жидкости в процессе тушения распьшенной водой

Величина удельной массовой скорости выгорания жидкости определяется экспериментально по изменению массы жидкости за определенный промежуток времени. По существу анализируется процесс испарения горючей жидкости, но по аналогии с горением предварительно перемешанных газовых смесей, на диффузионное горение жидкости автоматически переносится адекватность понятий скорости подачи газовой смеси - здесь испарения и скорости горения - здесь выгорания.

В отличие от кинетического пламени скорость горения жидкости, а точнее ее паров в смеси с воздухом, отличается от скорости испарения. Если рассматривать процесс горения жидкости с позиции конечных продуктов, то их суммарная масса или объем, вьщелив-щийся за единицу времени и приведенный к нормальным условиям, окажется в 90...95 раз большим, чем расход горючего газа. Этот результат является естественным, поскольку для окисления одного объема горючего газа необходимо 90...95 о&ьемов воздуха.

В общем случае скорость испарения жидкости определяется суммой мольного и диффузионного потоков пара. Детальный анализ процесса испарения с открытой поверхности бьш дан Стефаном, поэтому формула, описывающая испарение жидкости, с учетом мольных потоков, носит его имя - формула Стефана. С помощью этой формулы можно проанализировать влияние на скорость испарения ГЖ основных параметров, изменяющихся в процессе тушения водой:

• влияние температуры поверхности;

• влияние температуры газовой фазы;

• влияние толщины диффузионного слоя;

• влияние структуры молекул горючего, через коэффициент диффузии молекул в паровой фазе;

• влияние концентрации паров жидкости в окружающей среде.