Глава 9. ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Общие сведения о пожаротушении

Условия, необходимые для прекращения горения.

Для подавления горения необходимо выполнение хотя бы одного из следующих условий:

·         изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода разбавлением негорючими газами до значения, при котором не может происходить горение;

·         охлаждение очага горения ниже определенных температур;

·         интенсивное торможение (ингибирование) скорости химических реакций в пламени;

·         механический срыв пламени сильной струей воды или газа;

·         создание условий огнепреграждения, т.е. таких условий, при которых пламя распространяется через узкие каналы.

Все существующие огнетушащие средства оказывают, как правило, комбинированное воздействие на процесс горения веществ. Например, вода может охлаждать и изолировать ](или разбавлять) источник горения; пенные средства действуют изолирующе и охлаждающе; наиболее эффективные газовые средства воздействуют на процесс горения одновременно как ингибиторы и как разбавители; порошки могут ингибировать горение и создавать .условия огнепреграждения при образовании устойчивого и порошкового облака. Однако для любого огнетушащего средства характерно какое-либо одно доминирующее свойство. Например, вода оказывает преимущественно охлаждающее воздействие на пламя, пены — изолирующее, огнетушащие средства на основе галоидоуглеводородов и порошковые составы ^специфическое ингибирующее действие. Кроме того, в зависимости от условий применения проявляется то или иное свойство огнетушащего вещества. Некоторые порошковые составы при тушении горящих металлов проявляют в основном изолирующие свойства, а при подавлении горения углеводородов — ингибирующие.

Из сказанного следует, что, во-первых, огнетушащие средства не являются универсальными, т.е. при пользовании ими не достигается одинаковый огнетушащий эффект, и, во-вторых, для подавления горения одного и того же вещества в ряде случаев могут быть применены различные огнетушащие средства. Поэтому при выборе средств тушения следует исходить из возможности получения наилучшего огнетушащего эффекта при минимальных затратах.

Прежде чем перейти к изложению представлений об огнетушащих свойствах различных средств и сведений о способах пожаротушения, необходимо рассмотреть особенности развития пожаров, от которых зависит достижение конечного результата — подавление горения.

Основные понятия о пожаре и его развитии. Рассматриваются пожары, связанные как с горением собственно строительных материалов, так и с горением их в зданиях и сооружениях. Важнейшими параметрами пожаров, определяющими условия пожаротушения, являются:

·         физико-химические свойства горящего материала, от которых зависит выбор огнетушащего вещества;

·         пожарная нагрузка, под которой имеется в виду масса всех горючих и трудногорючих материалов, находящихся в рассматриваемом объекте, отнесенная к площади пола помещения или поверхности, занимаемой материалами на открытом воздухе;

·         скорость выгорания пожарной нагрузки;

·         газообмен очага пожара с окружающей средой и с внешней атмосферой;

·         теплообмен между очагом пожара и окружающими материалами и конструкциями;

·         размеры и форма очага пожара и помещения, в котором произошел пожар;

·         метеорологические условия.

Роль физико-химических свойств горючего материала проявляется прежде всего в том, что для тушения пожара нельзя применять вещества, бурно реагирующие с горючим или окислителем. Например, нельзя применять воду для тушения материалов, которые взаимодействуют с ней, образуют горючие газы или выделяют тепло (щелочные металлы и некоторые другие горючие материалы). Особые трудности вызывает тушение пожаров тлеющих материалов из-за сложности проникновения огнетушащих веществ в поры таких материалов. Известны, например, случаи, когда опущенные в воду горящие кипы хлопка продолжали гореть в течение длительного времени. Расход огнетушащих веществ для тушения тлеющих материалов, как правило, столь велик, что требуются дополнительные меры и средства (с этой целью в воду, например, добавляют специальные добавки — смачиватели). В зависимости от физико-химических свойств горючих материалов и возможности их тушения различными огнетушащими веществами и составами пожары классифицируются следующим образом:

Таблица 9.1. Классы пожаров

Пожарная нагрузка, в которую входят также горючие конструктивные элементы зданий, и скорость ее выгорания определяют основные характеристики пожара, такие, как: температурный режим и продолжительность пожара, опасные факторы пожара (ОФП), воздействующие на людей, и др.

Пожарную нагрузку дифференцируют в зависимости от ее распределения по площади на распределенную и сосредоточенную и характеризуют ее массой на единицу поверхности пола (кг/м²). Развитие пожара и его параметры зависят от вида и величины пожарной нагрузки. Пожар может быть разделен на три зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зона горения занимает часть пространства, в котором непосредственно происходит горение. Она может ограничиваться ограждающими конструкциями здания (помещения), стенками технологического оборудования. Как указывалось в гл. 1, горение на пожаре имеет, как правило, диффузионный турбулентный характер. Структура диффузионного факела при горении газов и жидкостей (например, в резервуарах) изучена довольно подробно. Необходимо подчеркнуть, что диффузионный факел при горении твердых материалов примерно такой же, как и при горении газов и жидкостей. Отличительной особенностью является лишь то, что для твердых материалов начальная температура, при которой образуется по- i ток горючих газов, значительно выше и для древесины, например, она достигает 200 ⁰С. Максимальная температура факела пламени при горении твердых материалов составляет около 1200 ⁰С. В отличие от газов и жидкостей горение твердых материалов может происходить по горизонтальной, наклонной и вертикальной поверхностям. Скорость распространения пламени сильно зависит от угла наклона и направления распространения горения. Скорость распространения вертикально вниз в 2 раза ниже, чем по горизонтальной поверхности, и в 8—10 раз выше при распространении пламени вертикально вверх.

Зона теплового воздействия представляет собой часть пространства, прилегающую к зоне горения, в которой происходит теплообмен между зоной горения и окружающими конструкциями, материалами и пространством.

Зона задымления - пространство, смежное с зоной горения, в которое возможно распространение продуктов горения.

Скорость выгорания характеризуется потерей массы горючих материалов с единицы поверхности во времени кг/(м² · с). Этот параметр наряду с предыдущим определяет интенсивность тепловыделения на пожаре и как следствие его основные характеристики, которые необходимо учитывать при пожаротушении.

Скорость выгорания твердых материалов на пожаре составляет от 5·10^-3 до 2·10^-2 кг/(м² · с). Однако эта скорость может значительно изменяться в зависимости от степени измельчения материала и ряда других факторов. Максимальная скорость выгорания при свободном доступе воздуха наблюдается при плотности распределения пожарной нагрузки 0,25—0,3. По способу распределения пожарной нагрузки помещения делятся на два класса: I - помещения больших объемов, в которых сосредоточена пожарная нагрузка и горение может развиваться на отдельных разобщенных участках без образования общей зоны горения; II - помещения, в которых пожарная нагрузка рассредоточена по всей площади таким образом, что горение может происходить с образованием общей зоны горения. В зависимости от класса выбирается способ пожаротушения. Например, для помещений II класса наиболее удобным может оказаться объемный способ.

Газообмен очага пожара с окружающей средой определяет пути и скорость распространения пожара и наряду с предыдущими параметрами — интенсивность тепловыделения и режим протекания пожара. Газообмен характеризуется площадью и взаимным расположением проемов, высотой помещения, этажностью, особенностью конструктивных решений и другими факторами. В зависимости от условий газообмена пожары разделяются на закрытые, протекающие в ограниченном объеме (в помещениях, сооружениях, аппаратах и т.п.), и открытые, протекающие на открытом воздухе или в помещениях I класса. Выбор способа пожаротушения в значительной степени зависит от условий газообмена. Развитие пожара во времени в зависимости от конкретных условий протекания пожара (газообмена, пожарной нагрузки и др.) характеризуется тремя фазами.

В 1-й фазе при повышении среднеобъемной температуры до 200 ⁰С приток воздуха сначала увеличивается, а затем медленно снижается. При этом увеличивается площадь вытяжной части проемов и снижается содержание кислорода, происходит пиролиз пожарной нагрузки, а горение продуктов газификации  характеризуется неполнотой сгорания. Продолжительность 1-й фазы составляет 2—30% общей продолжительности пожара. К концу 1-й фазы резко возрастает температура в зоне горения, пламя распространяется на большую часть горючих материалов и конструкций.

Во 2-й фазе скорость выгорания быстро достигает максимальной, а все параметры и опасные факторы пожара приобретают наибольшие значения. В этих условиях горят и трудногорючие материалы и создаются наиболее благоприятные условия достижения предела огнестойкости и обрушения строительных конструкций. В этой фазе создаются наибольшие трудности тушения пожара.

В 3-й фазе происходит догорание материала, а горение волокнистых материалов переходит в тление, хотя среднеобъемяая температура остается еще весьма высокой. Тушение пожара в этот период затрудняется тем, что горение отдельных материалов происходит в режиме тления.

В этих условиях, как правило, значительно возрастает расход огнетушащих веществ, а некоторые из них оказываются непригодными для пожаротушения.

Роль метеорологических условий становится важной на открытых пожарах. Осадки, как правило, облегчают пожаротушение, а ветер усложняет этот процесс.

9.2. Способы и средства пожаротушения

Известны различные способы пожаротушения, которые можно классифицировать по виду применяемых огнетушащих веществ (составов), методу их применения (подачи), окружающей обстановки, назначению и т.д. Все способы пожаротушения прежде всего подразделяются на поверхностное тушение, заключающееся в подаче огнетушащих веществ непосредственно на очаг горения, и объемное тушение, заключающееся в создании в районе пожара среды, не поддерживающей горения. Поверхностное тушение, называемое также тушением пожара по площади, может применяться почти для всех видов пожаров и требует использования огнетушащих составов, которое можно подавать в очаг пожара на расстоянии (жидкостные, пены, порошки). Объемное тушение может применяться в ограниченном объеме (в помещениях, отсеках, галереях и т.п.) и основано на создании огнетушащей среды во всем объеме атмосферы, находящейся в защищаемом объекте. Таким образом, поверхностное тушение в соответствии с изложенным выше применимо к пожарам I класса, а объемное — к пожарам II класса. Иногда способ объемного тушения применяют для противопожарной защиты локального участка в больших объемах (например, пожароопасных участков в больших помещениях). Но при этом предусматривается повышенный расход огнетушащих веществ. Для объемного тушения используют огнетушащие вещества (например, газовые и порошковые составы), которые могут распределяться в атмосфере защищаемого объема и создавать в каждом его элементе огнетушащую концентрацию. Способ объемного тушения представляется наиболее прогрессивным, поскольку он обеспечивает не только быстрое и надежное прекращение горения в любой точке защищаемого объема, но и флегматизацию этого объема, т.е. предупреждение образования взрывоопасной среды. Кроме того, этот способ благодаря легкости его автоматизации, быстроте действия и другим преимуществам обусловливает наибольшую экономическую эффективность. Вместе с тем этот способ обладает и недостатками, ограничивающими его применение.

В зависимости от вида пожарной техники способы тушения подразделяются на тушение первичными средствами - огнетушителями (переносными и возимыми) и размещаемыми в зданиях пожарными кранами, передвижными - различными пожарными автомобилями, а также стационарными - специальными установками с запасом огнетушащих веществ, приводимыми в действие автоматически или вручную, лафетными стволами и др. Поверхностное тушение осуществляется всеми видами пожарной техники, но преимущественно — первичными и передвижными, объемное тушение - только стационарными установками.

В качестве огнетушащих веществ используются: вода и водные растворы некоторых солей, а также вода со смачивателями и другими добавками; водопенные составы; инертные газообразные разбавители; хладоны; порошки; комбинированные составы. Сведения о механизме огнетушащего действия этих веществ и составов, а также об областях и условиях их применения излагаются в последующих разделах этой главы.

Выбор огнетушащего состава, способов его подачи и пожаротушения определяется условиями возникновения и развития пожара. Помимо изложенных выше сведений по выбору средств и способа тушения отметим необходимость учета экономической целесообразности. Из всех возможных способов противопожарной защиты определенного объекта должен выбираться такой, который при обеспечении эффективной защиты является наиболее дешевым. Последнее требование должно учитывать не только стоимость устройства пожаротушения, но и возможную порчу товарных ценностей, повреждения элементов здания, загрязнение окружающей среды и т. д.

9.3. Параметры и общие закономерности пожаротушения

Необходимо отметить, что до сих пор не разработаны общепринятые принципы и количественные закономерности, позволяющие априори рассчитать условия пожаротушения. Это связано с чрезвычайным многообразием факторов, определяющих развитие и подавление пожаров. Поэтому для подбора огнетушащих веществ и определения норм их расходов пользуются обычно экспериментальными данными с учетом конкретных условий предполагаемого пожара, причем и в отношении экспериментальных методов выбора и оценки эффективности огнетушащих средств единообразие отсутствует. Прежде всего надо отметить, что существуют лабораторные и полигонные методы испытания огнетушащих веществ. Необходимость проверки результатов лабораторных опытов полигонными испытаниями обусловлена сложностью моделирования процесса пожаротушения и, в частности, экстраполяции результатов опытов на реальные масштабы. Действительно, масштабный фактор по площади горения при этом может быть более 108. В то же время выдержать такой масштаб подобия для скорости горения и других характерных параметров при пожаротушении невозможно. Такая экстраполяция не может быть произведена без существенного изменения механизма процесса.

Прежде чем перейти к изложению некоторых закономерностей и особенностей процессов пожаротушения различными огнетушащими составами, рассмотрим такие показатели, как огнетушащая эффективность и интенсивность подачи, представляющие собой основные характеристики огнетушащих средств.

Под огнетушащей эффективностью обычно понимают минимальное количество огнетушащих веществ, пошедших на подавление какого-либо принятого в качестве модельного очага пожара. В случае применения средств объемного тушения (газовых составов) под огнетушащей эффективностью понимают концентрацию огнетушащих веществ, которую выражают в объемных процентах или в граммах на единицу защищаемого объема. За интенсивность подачи огнетушащих составов принимают их массовый расход во времени на единицу защищаемой площади или объема. Интенсивность подачи огнетушащих составов выражают в кг/(м² · с) или в л/(м² · с) при поверхностном пожаротушении и в кг/(м³ · с) или л/(м³ · с) при объемном тушении. Удельный расход огнетушащих составов определяется произведением интенсивности их подачи на время тушения и выражается в кг/м² при поверхностном тушении и в кг/м³ при объемном тушении.

При проектировании систем пожаротушения после выбора огнетушащего состава наиболее важно определить оптимальную интенсивность подачи состава. Решение этой задачи связано с необходимостью соблюдения двух условий: удельный расход должен быть минимальным, а время тушения не должно быть более допустимого.

На рис. 9.1 показана типичная зависимость удельного расхода огнетушащего состава от интенсивности его подачи. На первый взгляд, подобная зависимость является неожиданной и требует специального обсуждения. Для разных видов огнетушащих составов причины появления экстремальной точки на кривой, по-видимому, различны.

Рассмотрим далее особенности теплового режима процесса пожаротушения.

В соответствии со сведениями, изложенными ранее, нижняя температурная граница, до которой может распространяться самоподдерживающееся пламя обычных углеводородных горючих материалов, составляет около 1000 ⁰С. При снижении температуры горения ниже этой границы происходит затухание пламени.

Между тем для начала горения достаточно нагреть горячую среду до температуры ее самовоспламенения. Иногда считают, что гашение пламени может достигаться лишь при снижении температуры в зоне реакции ниже температуры самовоспламенения.

Рис. 9.1. Зависимость удельного расхода хладона-13В1 от интенсивности его подачи при объемном тушении

Рис. 9.2. Соотношение между теплоприходом 1 и теплопотерями при самовоспламенении 2 и пожаротушении 3 (точка а соответствует температуре самовоспламенения Т_св точка b -температуре потухания Т_пот)

На рис. 9.2 схематически показан характер изменения температуры при возникновении и подавлении горения, иллюстрирующий различные температурные границы этих процессов. Различие между T_св и Т_пот легко объясняется теорией теплового взрыва (см. гл. 1), согласно которой критический режим достигается при

,

где Q₁ и Q₂ — соответственно скорости тепловыделения и теплоотвода в единице объема реагирующей среды.

,

α - коэффициент теплоотдачи; Т - температура в зоне реакции; Т₀ - температура окружающей среды.

Поскольку Q₂ пропорциональна градиенту температур, при снижении температуры вдоль кривой 1 от ее максимального значения равенство скоростей тепловыделения и теплоотвода будет достигаться при более высоком значении Q₁ по сравнению с тем значением Q₁, при котором достигается равенство теплоотвода и тепловыделения при возникновении горения.

Из изложенных сведений о гетерогенном диффузионном горении следует, что тушение пожара может быть обеспечено охлаждением либо зоны реакции, либо поверхности горящего материала. В последнем случае подавление горения достигается тогда, когда отвод тепла от горящего вещества происходит с большей скоростью, чем поглощение им тепла,  передаваемого от пламени.

В опытах по тушению пламени в узких каналах и при горении жидкости на сферической поверхности было установлено, что горение прекращается при снижении количества тепла, передаваемого от пламени поверхности горючего материала, до 10 кДж/см². Например, для прекращения горения керосина достаточно уменьшить поток от пламени к поверхности в размере, соответствующем снижению теплоты сгорания на 23 %.

В то же время расчеты показывают, что прекращение горения охлаждением зоны реакции до предельного значения (около 1000 ⁰С) требует отнятия такого количества тепла из зоны горения, которое соответствует 45 % теплоты сгорания горючего материала.

Таким образом, для прекращения горения охлаждением зоны реакции требуется отвести в 2 раза больше тепла, чем при охлаждении поверхности горящего вещества. Эти результаты были получены в опытах с керосином. По-видимому, с увеличением упругости пара горючей жидкости и, в частности, в случае ЛВЖ различия в условиях тушения охлаждением поверхности и зоны собственного горения будут уменьшаться, а в случае твердых материалов — возрастать.

Условия гашения пламени конденсированных горючих веществ охлаждением могут рассматриваться с привлечением закономерностей «приведенной пленки»— аналога пограничного слоя.

Исходное уравнение теплового баланса для зоны горения записывается в следующем виде:

,                                            (9.1)

где I - интенсивность подачи охлаждающего агента; U_у — скорость потока по нормали к поверхности горения; Q_f, Q_n - тепловой эффект реакции горения и скрытая теплота испарения огнетушащего средства соответственно; Т₀ — температура набегающего потока; ρ — плотность среды; λ - теплопроводность среды.

Считают, что при диффузионном горении кинетика процесса, выражаемая первым слагаемым левой части уравнения, может не учитываться и что в конвективном уносе тепла, характеризуемом третьим слагаемым, участвует огнетушащее вещество.

Принимая ряд допущений, а также учитывая уравнение сохранения окислителя, получаем следующее выражение, связывающее интенсивность подачи огнетушащего средства с массовой скоростью выгорания горючего вещества:

,                                                        (9.2)

где Т_* - предельная температура, принятая 1250 ⁰С; Т_е - температура набегающего газового потока; L - стехиометрнческий коэффициент; С_ок - содержание кислорода в набегающем газовом потоке.

В частности, при объемном тушении, когда принимается I=0, из уравнения (9.2) можно получить следующее выражение для предельного содержания окислителя, ниже которого горение невозможно:

,                                                                           (9.3)

Расчет по этому уравнению предельного содержания кислорода при разбавлении воздуха азотом в случае горения полиметилметакрилата удовлетворительно согласуется с опытными данными.

Скорость выгорания горючего материала можно выразить уравнением

,                                                         (9.4)

где S_t0 - число Стентона в отсутствие массообмена; (pU_y)_e — стефановский поток паров горючего;

,                                                             (9.5)

Т_е, C_ок - температура и концентрация кислорода в набегающем потоке; Т_s - температура поверхности горючего; Q_оке, Q_fк - тепловые эффекты реакции из расчета соответственно на окислитель н горючее в конденсированной фазе; С_р — теплоемкость.

Рассчитанные по этим уравнениям значения относительной интенсивности подачи воды при тушении некоторых материалов хорошо согласуются с известными опытными данными.

Ниже рассмотрены еще два критерия, которыми можно охарактеризовать условия тушения пламени.

Условия тушения можно оценить по значению критерия Дамкелера

,

где τ_г - характерное время потока или диффузии; τ_с - характерное время реакции.

Существует такое критическое значение числа Дамкелера, ниже которого горение невозможно, и пожар прекращается.

Другой критерий основан на учете теплообмена между пламенем и горящим материалом. Снижение интенсивности выделения тепла при тушении может привести к столь существенному снижению скорости газификации горючего материала, что горение прекращается. В соответствии с этим подходом было установлено, что для прекращения горения скорость теплоотвода от поверхности γ_m, Дж/(см²·с), должна составлять:

на свободных противнях γ_m=0,6/d^0,25; в трубах γ_m=l,2/d^0,25; на вертикальной поверхности γ_m=0,6l^0,25, где d и l – характерные размеры, см.

Этот критерий позволяет учитывать возможность тушения не только охлаждением, но и другими методами снижения интенсивности стефановского потока горючих паров и, в частности, созданием изолирующих покрытий.

По первому методу, основанному на использовании критерия Дамкелера, для диффузионного пламени, которым характеризуется большинство пожаров, за характерное время потока принимается

,                                                                                            (9.6)

где l - характерная длина; D - коэффициент диффузии, а за характерное время тушения

,                                                                        (9.7)

где ρ — плотность среды; ω - скорость реакции; С_f, С₀ - концентрация горючего и окислителя; n, m - порядки реакции по горючему и окислителю; Е - энергия активации; А - константа; Т - температура.

Тогда для числа Дамкелера можно написать

,                                                              (9.8)

Критическое значение Dam_Е, ниже которого горение прекращается, определяется из выражения

,                                            (9.9)

где С_р - средняя теплоемкость газа; Q_t - теплота, выделяемая при горении газа на единицу массы потребляемого топлива; T_af - температура пламени для максимальных значений; Т_b - температура пламени на границе.

Из уравнений (9.8) и (9.9) выводится выражение для критерия подавления горения

,                                     (9.10)

где С_fb - концентрация кислорода в зоне горения; С_оb - концентрация горючего в зоне горения.

Уравнение (9.10) дает возможность удовлетворительно описать различные способы пожаротушения. Изоляция окислителя от пламени позволяет уменьшить С_ob, а изоляция топлива (или уменьшение газообразования) — снизить C_fb. Замедление химической реакции проявляется в уменьшении константы А, а охлаждение пламени приводит к снижению T_af. Сдувание пламени ведет к росту D и снижению С_Fb.

Анализ результатов, полученных первым методом, показал, что кинетика и механизм газофазных процессов в диффузионном пламени различных углеводородных горючих являются практически одинаковыми. Установлено также, что на восстановительной стороне пламени происходит пиролиз горючего, а соотношение между горючим и окислителем является близким к стехиометрическому.

Рассмотрим далее некоторые закономерности ингибирования горения. Прежде всего необходимо отметить, что ингибированию в основном подвержены процессы горения, связанные с цепным разветвленным характером окисления. Такими свойствами обладают горючие системы, в которых в качестве окислителя участвует кислород (воздух).

Рис. 9.3. Потребление водорода при изотермическом 1 и неизотермическом 2 окислении водорода

Поскольку горение органических материалов протекает через стадию окисления водорода, а четкости в представлениях об этой стадии на третьем пределе нет, представляется целесообразным рассмотреть некоторые дополнительные данные по высокотемпературному окислению водорода при атмосферном давлении. Для случая окисления водорода воздухом (0,2 моля водорода и 0,8 моля воздуха) при р≈100 кПа и температурах до 973 К в работе [1] приведены результаты решения на ЭВМ системы уравнений кинетики вида с учетом и без учета разогрева в ходе реакции.

,

где n_i - концентрация активных центров; k_j - константа элементарных реакций, составляющих цепь; n_в-i — концентрации всех участвующих частиц за вычетом концентрации, стоящей в левой части.

Степень разогрева рассчитывали по уравнению тепловой теории

,                                                                 (9.11)

где ΣQ_jω_j - сумма произведений тепловых эффектов отдельных звеньев цепи и их скоростей; S - поверхность сосуда; V - объем сосуда; α - коэффициент теплоотдачи; ρ - плотность среды; C_υ — теплоемкость среды; Т - температура газа; Т₀ - температура стенки.

Из рис. 9.3 видно, что кривые потребления исходного водорода для изотермического и неизотермического вариантов расчета начинают расходиться при заметных степенях превращения (к этому моменту концентрация атомарного водорода достигает 20% максимальной).

Тот факт, что горение водорода даже при атмосферном давлении (в области третьего предела) в начальной стадии протекает изотермично, указывает на сугубо цепной характер начала горения и, следовательно, на принципиальную возможность ингибирования горения водорода в этих условиях.

Из изложенного следует, что тормозящее действие ингибиторов горения связано с гибелью той части активных центров, которая соответствует сверхравновесному их содержанию. При снижении концентрации активных центров до равновесной гибель их в реакции с ингибитором становится затруднительной, поскольку убыль активных центров компенсируется поступлением новых в результате термической диссоциации. Поэтому окончательное прекращение горения, как правило, достигается при одновременном торможении реакции и охлаждении (на: пример, при разбавлении зоны реакции избытком летучего ингибитора) реагирующей горючей смеси.

Оценка эффективности огнетушащих составов связана с необходимостью моделирования процессов тушения. Хотя, как отмечалось, достаточно точное моделирование этих процессов весьма проблематично, однако совершенно очевидно, что нельзя ориентироваться только на натурные испытания.

Для практического решения проблемы можно воспользоваться двумя путями—приблизительным моделированием, основанным на исключении второстепенных факторов и соответствующих критериев подобия, и дифференциацией способов тушения на поверхностные и объемные. Наиболее затруднительно осуществить моделирование в случае поверхностного тушения, так как эффект тушения во многом зависит от способа подачи огнетушащих средств (особенно на открытом воздухе), но при этом значительно проще организовать испытания в натурных масштабах, чем при объемном, пожаротушении. В случае же объемного пожаротушения организация крупных опытов связана с большими трудностями и материальными затратами. Но зато этот способ легче поддается моделированию.

Например, приблизительное моделирование процесса объемного пожаротушения инертным газом приведено в работе [2]. Приняв, что условия газообмена достаточно полно определяются критериями свободно конвективного движения Грасгофа и вынужденной конвекции Рейнольдса, для процесса объемного тушения получим:

,                                                                                          (9.12)

где τ_т - время тушения; Ш - интенсивность подачи инертного газа; а и b — опытные константы.

После подстановки значений критериев получим безразмерное уравнение

,                                                              (9.13)

где l₁, l₂ - определяющие размеры; v - кинематическая вязкость газовой среды; T_n - начальная температура; υ -скорость подачи инертного газа.

Принимая, что среднеобъемная температура среды в защищаемом помещении зависит от интенсивности тепловыделения и времени горения, можно далее написать:

,                                                                       (9.14)

где Т_п - температура в момент тушения пожара; Q - удельное тепловыделение при пожаре; τ_о - начало горения.

Используя (9.13) и применяя ряд преобразований, получим следующую зависимость для расчета условий объемного тушения пожара:

,                                                                       (9.15)

где V_B - объем помещения; τ_с - время начала тушения; ρ_ср - средняя плотность среды; Н - высота помещения; l_пр - приведенный характерный размер помещения; g - ускорение свободного падения.

Из выражения (9.15), в котором левая часть (τ_тI) характеризует удельный расход газа для достижения огнетушащей среды, следует, что определяющими параметрами при оценке условий тушения являются размеры помещения, его объем, интенсивность (приведенная скорость) подачи газа, а также интенсивность и продолжительность пожара и характеристики газовой среды помещения: вязкость, плотность, теплоемкость и температура.

Выделив параметры газовой среды в отдельные комплексы и заменив произведение некоторой приближенной функцией температуры

,                                      (9/16)

и заменив произведение

,

Некоторой приближенной функцией температуры

,

вместо (9.16) можно записать

,                                                                     (9.17)

где c=a+d.

Из уравнения (9.17) следует, что с увеличением объема удельный расход газа на тушение возрастает.

Этот результат оказался неожиданным и противоречит установившейся практике проектирования систем объемного тушения, например углекислотных установок. Вместе с тем имеющиеся опытные данные подтверждают правильность уравнения (9.17). На рис. 9.4 представлены результаты опытов по объемному тушению хладоном-12B1 (GF₂ClBr). Согласно этим данным, максимальный удельный расход хладона для помещений различного объема составляет:

Рис. 9.4. Зависимость удельного расхода G хладона-12В1 от интенсивности его подачи I и объема помещения I - 0,5 м³; 2 - 2 м³; 3 - 300 м³

Однако практически этими различиями можно пренебречь. Анализ известных данных показывает, что значение показателя степени при V_п близко к нулю.

Результаты натурных испытаний для оценки эффективности огнетушителей с различными зарядами изложены в инструкции [3]. Согласно этой инструкции испытываются очаги пожаров классов А, В, С и D. При этом характеристики очагов пожаров строго регламентируются. Например, очаг пожара класса А представляет собой деревянный штабель, помещенный на металлическое основание определенных размеров. Размер деревянного штабеля регламентирован. Под штабель помещают противень также определенных размеров, в который на водяную подушку толщиной 30 мм наливают бензин слоем 5 мм. Время свободного горения бензина составляет 2—3 мин, а штабеля — 6 мин.

В случае очага класса В используют круглые металлические противни определенных размеров. В качестве горючего материала испытывается бензин А-76. Очаг пожара класса С создают поджиганием пропана, выпускаемого с определенной скоростью из трубопровода диаметром 120 мм. К трубопроводу приваривают фланец для крепления сменных насадков с отверстиями различного диаметра. Давление перед насадком составляет 65 КПа. Время свободного горения 60 с. Условия размещения огнетушителей и порядок действия операторов также строго регламентированы. Эффективность огнетушителей (и соответственно зарядов) оценивают по максимальному очагу пожаров, который удается потушить не менее двух раз в трех параллельных опытах.

Лабораторных методов испытания различных огнетушащих составов довольно много. Они различаются условиями сжигания исследуемых горючих веществ, способами подачи огнетушащих составов, принципами устройств и т. д.

Одним из наиболее распространенных и универсальных методов оценки огнетушащих свойств является метод, основанный на воздействии исследуемого вещества на область воспламенения данного горючего в смеси с воздухом. Аппаратурное оформление метода то же, что и при определении пределов воспламенения. По результатам опытов строят графики (рис. 9.5), в координатах — пределы воспламенения, % об. — добавка, % об. За огнетушащую принимается концентрация исследуемой добавки, соответствующая «пику» кривой. В дальнейшем условимся называть этот способ методом флегматизации. Этот метод приемлем для исследования веществ (как огнетушащих, так и горючих), которые можно вводить в цилиндр в требуемых количествах в парообразном состоянии. Для расширения этой возможности следует предусматривать нагрев всей установки в специальном шкафу - термостате.

Получаемые этим методом данные, характеризующие флегматизацию предварительно приготовленных смесей горючего и окислителя (воздуха), являются наиболее надежными и могут приниматься в качестве огнетушащих концентраций при объемном способе тушения пожаров и для предупреждения взрывов (флегматизации). Однако получаемые таким образом огнетушащие концентрации для пожаротушения (особенно в случае испытания ингибиторов) могут заметно превышать действительные, поскольку для тушения предварительно перемешанных горючих смесей требуется больший расход флегматизаторов, чем для тушения при диффузионном горении.

Рис. 9.5. Флегматизация смесей Н₂ — воздух добавками RX

1 - С₂Н₅J; 2 – C₂H₅Br; 3 – CF₃CH₂Br; 4 – CF₃CHClBr; 5 - CF₂BrCHFCl;

6 – C₂F₄Br₂; 7 – смесь СО₂+С₂Н₅Вг

В случае использования «пиковых» концентраций для флегматизации среды необходимо учитывать поправку на утечку огнетушащих паров через неплотности, определяемую выражением

,             (9.18)

где C₁ - огнетушащая концентрация (норма расхода); С₂ - «пиковая» концентрация флегматизатора; а - коэффициент, учитывающий утечки, остаток в магистралях и т. д.

Сравнение эффективности огнетушащих составов по «пиковым» концентрациям применительно к различным условиям, а также принятие этих концентраций при тушении пожаров на открытом воздухе может привести к неправильным выводам. Дело в том, что в опытах по методу флегматизации эффект тушения может быть обусловлен не только гасящим действием флегматизатора, но и уменьшением содержания в смеси окислителя. Действительно, бромистый этил является более эффективным флегматизатором при окислении водорода, чем тетрафтордибромэтан, хотя последний обладает более высокой ингибирующей способностью. Повышенное флегматизирующее действие в этом случае бромистого этила объясняется его склонностью к окислению. Вместе с тем данные, получаемые методом флегматизации, все же позволяют судить об огнетушащей эффективности добавок применительно к различным условиям тушения. Об ингибирующих свойствах, свидетельствующих о повышенной огнетушащей способности добавок, необходимо судить по характеру воздействия их на бедные смеси, т. е. по наклону нижних ветвей кривых флегматизации. Чем более круто поднимается эта ветвь, тем большей ингибирующей эффективностью обладает соответствующее вещество.

Этот метод изыскания средств пожаротушения получил хорошее практическое подтверждение.

Наиболее же точно об ингибирующей эффекте при флегматизации можно судить по теоретической температуре горения для составов, характеризуемых кривой флегматизации. Как было показано выше, ингибирование процессов; обусловливающих распространение пламени, связано с понижением содержания активных центров до равновесных концентраций. Поэтому для распространения пламени, требующего определенного содержания активных центров, в присутствии ингибиторов необходима более высокая температура. Следовательно, если температура горения предельного состава, отвечающего отдельным токам кривой флегматизации, окажется на 200 ⁰С (и более) выше температуры 1300 ⁰С, то добавки в этих условиях являются ингибиторами.

Для ориентировочной оценки возможности применения огнетушащих средств при подавлении горения различных, веществ на открытом воздухе обычно пользуются весьма простым способом, заключающимся в наблюдении за явлениями, происходящими при подаче огнетушащих средств на горящее в небольшом противне вещество. В этих опытах фиксируют время тушения, расход огнетушащего состава, наличие или отсутствие хлопков, разгорания, вскипания и других явлений. На основании результатов наблюдений судят о возможности применения тех или иных огнетушащих средств для тушения исследуемого вещества. Например, в практике работы ВНИИПО для таких опытов применяют небольшие металлические противни размером 50×50 мм с бортами высотой 10—20 мм. Испытуемые огнетушащие средства подают в очаг горения устройствами, моделирующими соответствующие огнетушители.

Следует отметить, что вывод относительно применимости огнетушащих составов, как и результаты опытов, является весьма субъективным и зависит от навыков и умения оператора. Поэтому изложенный способ совершенствовали. В частности, отдельные исследователи дополнили аппаратуру синхронизирующими устройствами, аппаратами, обеспечивающими равномерность подачи огнетушащих составов и покрытия ими горящей поверхности и т. д. Необходимо еще раз отметить, что окончательную оценку о приемлемости испытуемого средства дают по результатам контрольных опытов натурного масштаба.

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.Н. БАРАТОВ, Р.А. АНДРИАНОВ, А.Я. КОРОЛЬЧЕНКО, Д.С. МИХАЙЛОВ, В.А. УШКОВ, Л. Г. ФИЛИН
Стройиздат, 1988