Реферат май 2021. Физикохимические основы развития и тушения пожара
 Скачать 224.1 Kb.
|
|
РЕФЕРАТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРА. Составил: Старший инструктор ГПП капитан внутренней службы А.С. Иванов «__» ______ 2021 года г. Санкт-Петербург 2021 год СОДЕРЖАНИЕ: 1. Введение (стр. 3) 2. Основные сведения о пожарах (стр. 3) 3. Теоретические основы прекращения горения (стр.7) 4. Способы прекращения процессов горения на пожаре (стр. 9) 5. Основные принципы тушения пожаров различных веществ (стр. 11) 6. Классификация огнетушащих веществ (стр. 13) 7. Вода как огнетушащее средство (стр. 13) 8. Нейтральные газы в пожаротушении (стр. 15) 9. ВВЕДЕНИЕ Знание и понимание законов и механизмов, по которым зарождается и развивается пожар, – необходимое условие верного выбора типа огнетушащих веществ, способов и параметров их подачи для успешного тушения пожара. Именно эти законы и механизмы изучаются в рамках специальной дисциплины – «Физико-химические основы развития и тушения пожара». Четкое представление об объективных физических и химических процессах, лежащих в основе всех существующих приемов и способов прекращения горения, – основа формирования профессионала в области обеспечения пожарной безопасности и пожаротушения. I. Основные сведения о пожарах. Пожар – это неконтролируемое горение вне специального ограждения, приносящее материальные и моральные убытки. При пожарах одновременно протекает много различных физико-химических процессов и явлений. Явления, постоянные и обязательные для каждого пожара, называют общими явлениями пожара. К ним относятся: горение – химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением; массообмен, возникающий вследствие образования на пожаре конвекционных газовых потоков, которые обеспечивают поступление свежего воздуха в зону горения и отвод продуктов горения из неё; теплообмен (тепло, выделяющееся в зоне горения, передается в окружающую среду и частично расходуется на нагрев горючих веществ, строительных конструкций и т. п., таким образом делая возможным самостоятельное распространение пожара); Горение можно классифицировать по следующим параметрам: условию смесеобразования горючих компонентов: а) кинетическое (горение предварительно перемешанных газо- или паровоздушных смесей); б) диффузионное (горение, когда образование горючей среды – смешение горючего и окислителя – происходит перед зоной горения или в зоне горения); интенсивности поступления горючих компонентов в зону химической реакции: а) ламинарное (компоненты горючей смеси поступают в зону горения сравнительно спокойно); б) турбулентное (компоненты горючей смеси поступают в зону горения с большой скоростью); агрегатному состоянию компонентов горючей смеси: а) гомогенное (горючее и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии, как правило, газообразном); б) гетерогенное (горючее и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях) скорости распространения зоны химической реакции горения: а) дефлаграционное (медленное распространение зоны химической реакции, скорость от 0,5 до 50 м/с); б) детонационное (взрывное); В реальных условиях пожара в основном встречается диффузионное горение, когда происходит смешение горючего с окислителем (кислородом воздуха) за счет диффузии. Опасными факторами пожара являются: открытый огонь, искры; повышенная температура окружающей среды и предметов; токсичные продукты горения; дым; сниженная концентрация кислорода в воздухе; падающие части строительных конструкций; опасные факторы взрыва (ударная волна, световое излучение); ядовитые вещества, поступающие в окружающую среду из поврежденного оборудования. Различают следующие зоны пожара: зона горения – часть пространства, в которой протекают процессы термической подготовки горючих веществ и само горение. Зона горения включает объем, ограниченный фронтом пламени и поверхностью горящего вещества; зона теплового влияния – прилегающая к зоне горения часть пространства, в границах которой протекают процессы теплообмена между поверхностью зоны горения и окружающими конструкциями и веществами; внешняя граница зоны теплового влияния проходит там, где заметны изменения свойств материалов и конструкций или создаются условия, препятствующие работе людей без средств индивидуальной защиты; зона задымления – примыкающая к зоне горения часть пространства, в которой невозможно пребывание людей без средств защиты органов дыхания или осложнено ориентирование в результате недостаточной видимости. Чтобы можно было описывать, исследовать или сравнивать пожары, необходимо использовать параметры, которые характеризовали бы разные стороны развития пожаров. Основными параметрами развития пожара являются: удельная пожарная нагрузка — это количество теплоты, которое может выделиться с единицы площади, занимаемой горящими материалами при пожаре (МДж/м2), рассчитываемая по формуле  , где  - масса i-го горючего материала, находящегося в помещении, кг;  - – низшая удельная теплота сгорания i-го материала, МДж/кг;  - площадь размещения горючих материалов, м2.удельная горючая нагрузка - масса всех горючих и трудногорючих материалов, которая приходится на единицу занимаемой ими площади (кг/м2), рассчитываемая по формуле  ;продолжительность пожара - – это время с момента возникновения пожара до прекращения горения; площадь, м2 (  ;, периметр и фронт пожара линейная скорость распространения пожара  – расстояние, которое проходит фронт пожара за единицу времени (м/с);температура пожара – температура в зоне горения. Температуру открытого пожара можно рассчитать, как адиабатическую температуру горения вещества; интенсивность газообмена; плотность задымления; коэффициент поверхности горения  - отношение площади поверхности горения к площади пожара, которое характеризует свободную для горения поверхность пожарной нагрузки, рассчитываемый по формуле  - площадь поверхности горения, которая характеризует реальную площадь горючего, которая участвует в горении (м2);фронт пожара – часть периметра пожара, на которой его распространение происходит наиболее интенсивно; массовая скорость выгорания пожарной нагрузки  - количество вещества, которое выгорает в единицу времени (кг/с); массовая скорость выгорания зависит прежде всего от природы вещества, интенсивности газообмена, времени развития пожара;удельная массовая скорость выгорания  – количество вещества, которое выгорает в единицу времени c единицы площади пожара (кг/(м2⋅с), рассчитываемое по формуле  ;приведенная массовая скорость выгорания – масса горючего вещества или материала, выгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности горения (кг/(м2⋅с)), рассчитываемая по формуле  ;температура пожара на открытом пространстве – температура в зоне горения. Температуру открытого пожара можно рассчитать, как адиабатическую температуру горения вещества; температура пожара в ограждении – среднеобъемная температура газовой среды в помещении, в котором происходит пожар; интенсивность газообмена  – количество воздуха, которое притекает в единицу времени к единице площади пожара (кг/(с∙м2));плотность задымления – количество дыма, которое на протяжении пожара остается в единице объема помещения (г/м3); теплота пожара (интенсивность тепловыделения) – количество тепла, выделяющееся в зоне горения в единицу времени (Вт = Дж/с), рассчитываемое по формуле:  ,  - коэффициент полноты сгорания (0,75-0,9),  – низшая теплота сгорания вещества, Дж/кг;приведенная теплота пожара, или плотность теплового потока (Вт/м2), определяется по формуле:  .Для лучшего изучения пожаров, разработки приемов и средств тушения все пожары классифицируют по разнообразным признакам на группы, классы и виды. По условиям газо- и теплообмена все пожары разделяют на две большие группы: пожары на открытом пространстве (открытые); пожары в ограждении (внутренние). Первая группа пожаров характеризуется свободным газообменом с окружающей средой, который обусловливает высокую интенсивность протекания процессов горения. Условия газообмена зависят от внешних естественных газовых потоков (от скорости и направления ветра, влажности воздуха и др.). При этом теплообмен осуществляется конвекцией и излучением практически с неограниченным окружающим пространством, не происходит накопление тепла в зоне горения. За температуру таких пожаров принимают температуру пламени. К открытым пожарам относятся природные пожары, пожары газовых и нефтяных фонтанов, складов древесины, горючих жидкостей в резервуарах, пожары на технологических установках объектов газовой, нефтяной, химической промышленности и т. п. Вторая группа пожаров характеризуется зависимостью газо- и теплообмена от большого числа факторов: вида горючего материала, величины и расположения пожарной нагрузки, размеров и расположения проемов в конструкциях здания и др. Теплообмен осуществляется конвекцией, теплопроводностью и излучением. За температуру таких пожаров принимают среднюю температуру газовой среды горящего помещения. Все пожары условно разделяют на классы А, В, С, D и Е, классы подразделяют на подклассы в зависимости от физико-химических особенностей веществ и особенностей их горения. К пожарам класса А относятся такие, при которых в основном горят твердые горючие вещества. В свою очередь пожары класса А подразделяются на подклассы А1 и А2. К пожарам подкласса А1 относят горение материалов, способных к тлению (к таким можно 11 отнести все целлюлозосодержащие материалы, то есть материалы, для которых характерны как гомогенный, так и гетерогенный режим горения). Горение материалов, горящих только в гомогенном режиме, относят к пожарам подкласса А2. К классу В относятся пожары горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, причем в тех случаях, когда горят водонерастворимые жидкости, его относят к подклассу В1 (нефть и нефтепродукты). При горении водорастворимой горючей жидкости пожар относят к подклассу В2. Горение горючих газов относят к пожарам класса С. Горение горючих металлов и их соединений имеет ряд особенностей, связанных с параметрами процесса горения и выбором огнетушащих веществ. По этой причине пожары таких материалов вынесли в отдельный класс D, разбитый на три подкласса. Подкласс D1 – горение так называемых легких металлов, к которым относят металлы второй, третьей и четвертой групп периодической системы Менделеева (магний, алюминий, стронций, барий, титан, цирконий и другие). Их горение сопровождается сильным тепловыделением, высокой температурой и тепловым излучением. Подкласс D2 – горение щелочных металлов. Главной особенностью таких пожаров является возможность самого металла реагировать с водой и с водно-пенными средствами тушения. Подкласс D3 – горение металлоорганических соединений. Пожары электроустановок под напряжением относят к классу Е. От вида и агрегатного состояния горючего материала зависят основные параметры развития пожара. Выбор способа и средств тушения пожаров зависит от вида пожарной нагрузки, класса пожара, условий газообмена и других параметров. II. Теоретические основы прекращения горения. Тепловая теория прекращения горения является наиболее распространенной. Суть ее сводится к тому, что при нарушении условий теплового равновесия в зоне горения протекание соответствующих химических реакций становится невозможным и процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда температура пламени  , будет снижена до некоторого критического значения  , т.е.  Максимально возможную величину снижения температуры пламени можно определить по формуле  , где R = 4,19 кДж/(моль. К) – универсальная газовая постоянная;  = 2300 К – адиабатическая температура пламени; Е = 125000 кДж/моль – энергия активации.После подстановки данных получим значение критической температуры потухания  =1240К  10000С.Температура кинетического пламени значительно меньше адиабатической из-за теплопотерь из зоны горения. В диффузионном пламени, которое наиболее часто встречается на пожаре, доля тепловых потерь еще больше. Поэтому реальная температура диффузионного пламени примерно на 40–45% ниже , т.е.  .Таким образом, задача сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания путем нарушения теплового равновесия в зоне горения. Нарушение теплового равновесия в зоне горения можно осуществить либо снижением интенсивности тепловыделения ниже некоторого предельного значения, либо повышением интенсив- 53 ности теплоотвода, либо одновременно двумя этими путями. В общем случае для прекращения горения необходимо, чтобы скорость тепловыделения в очаге пожара была меньше скорости теплоотвода от очага в окружающую среду Интенсивность процесса тепловыделения во фронте пламени  зависит от вида горючего, его концентрационного состава, температуры пламени.Интенсивность суммарного процесса теплоотвода от фронта пламени  по механизму лучистой теплопередачи и передачи тепла конвекцией прямо пропорционально зависит от температуры пламени.Приравнивая уравнение для тепловыделения  к уравнению для теплоотвода  , можно найти как фактическую, так и критическую температуру потухания пламени. Однако указанные зависимости достаточно сложны для аналитического решения.Графически температуру диффузионного пламени можно найти как численное значение точки пересечения кривых и (рис. 1). В точке пересечения этих кривых и  . При этом точке с касания кривых будет соответствовать температура самовоспламенения  , а температура пламени  будет соответствовать точке 1 пересечения этих же кривых.Изменяя интенсивность тепловыделения или теплоотвода в зоне горения, можно довести систему до состояния, соответствующего критическим условиям. Например, увеличивая теплоотвод (рис. 1), мы получаем некоторую новую кривую , при этом кривые и имеют две общие точки: точку пересечения  в области низких температур (соответствует медленному окислению горючего, горения нет) и точку П касания кривых. В точке П система находится в относительно устойчивом положении, при котором повышение температуры системы ведет к ее возврату в прежнее состояние стабильного горения, а малейшее понижение температуры ведет к неизбежному потуханию пламени (система получит только одну точку пересечения в области низких температур). Таким образом, точка П соответствует критическим условиям потухания пламени, а температура  называется условно температурой потухания пламени. Рисунок 1 Снижения температуры в зоне горения до температуры потухания можно добиться также снижением тепловыделения (рис. 2, кривая  ,). Кривая , касательная к , идет правее и ниже кривой  ,, которая была бы касательной к . Следовательно, тушение пламени возможно при менее интенсивном теплоотводе (точка П касания системы кривых  ) и  ), соответствующая температуре потухания), что соответствует более высокой температуре окружающей среды ( >  ).Аналогично рассмотренным примерам можно одновременно снижать интенсивность тепловыделения и повышать теплоотдачу в зоне горения с помощью различных способов, которые будут рассмотрены ниже.  Рисунок 2 III Способы прекращения процессов горения на пожаре Одним из наиболее доступных способов прекращения горения является снижение температуры в зоне реакции и в окружающем пространстве. Для этого необходимо применять средства, снижающие интенсивность тепловыделения в зоне реакции горения или увеличивающие теплоотдачу из этой зоны. Для отвода тепла из зоны горения можно вводить вещества, имеющие низкую температуру, например азот, гелий или аргон в жидком состоянии (их температура кипения составляет -195,8; -268,9; -185,9°С соответственно). Такое тушение принципиально возможно, но практически мало реализуемо. Увеличить теплоотвод из зоны горения можно также чисто механическим путем, например внеся во фронт пламени огнетушащее вещество с большой теплоемкостью и (или) с развитой поверхностью теплопоглощения (это могут быть металлическая стружка, сетка и т. д.). Данный принцип прекращения горения используется в специальных устройствах – огнепреградителях, которые предотвращают распространение горения, например, в дыхательных устройствах резервуаров и газовых магистралях. Теплоотдачу можно увеличить путем введения в пламя теплоемкого продукта с высокой степенью дисперсности, например огнетушащего порошка или обычного песка. Отметим, что при гашении пожаров порошками механизм увеличения теплоотдачи работает, но не является доминирующим. Увеличить теплоотдачу пламени можно путем введения в зону горения веществ, изменяющих цвет пламени и делающих его более ярким, так как при одинаковой температуре в зоне горения лучистый поток больше от пламени, которое имеет цвет (в частности, содержит продукты неполного сгорания). При этом возрастают теплозатраты на излучение. Соответствующая плотность теплового потока имеет величину  , где  - степень черноты пламени,  – постоянная Больцмана, Вт/(м2 К4);  – температура пламени, К.Увеличение лучистого потока приведет к нагреванию горючего и соответствующему увеличению испарения или выхода газообразных продуктов разложения. Последнее обстоятельство обычно приводит к росту тепловыделения, поэтому такой путь нарушения теплового баланса можно считать сугубо теоретическим. Обычно для отвода тепла на практике применяют вещества, имеющие большую теплоту фазового перехода, например воду или твердый диоксид углерода. Вода, попадая в зону горения, нагревается и, испаряясь, отбирает значительное количество энергии. Твердый диоксид углерода образуется из жидкости при выходе через сопло огнетушителя и имеет температуру -73° С, что приводит к снижению температуры в зоне горения. В процессе испарения диоксида углерода в зоне горения дополнительно поглощается большое количество энергии. Рассмотрим способы снижения тепловыделения в зоне горения. При кинетическом горении газовоздушных систем концентрация горючего и окислителя в зоне реакции определяется условиями смесеобразования. Концентрация компонентов изменяется при изменении скорости поступления горючего, окислителя или инертных добавок в зону, в которой непосредственно происходит образование смеси. При диффузионном горении концентрация компонентов горючей смеси в зоне реакции горения зависит от ряда условий, таких как содержание кислорода в воздухе, который поступает в зону реакции горения, и скорость поступления горючих паров или газов в эту зону. В связи с этим для снижения концентрации компонентов горючей смеси в зоне реакции можно применить два способа. Первый способ – изменить состав воздуха, который поступает в зону реакции горения, снизив в нем содержание кислорода до критического значения, или разбавить газообразные продукты, которые поступают в зону реакции, инертными добавками. Такой метод прекращения горения получил название флегматизации, или разбавления. Второй способ – прекращение (уменьшение) до критического значения количества окислителя (продуктов испарения горючего), который поступает в зону реакции горения, путем изоляции компонентов горючей смеси друг от друга или поверхности горючего от теплового влияния зоны горения. Такой метод прекращения горения называется изоляцией. Этот способ применим только тогда, когда это достижимо технически (закрытие вентилей на газопроводах, покрытие небольших емкостей с ГЖ металлическими листами и др.). Частным случаем этого метода является тушение пожаров в резервуарах с горючей жидкостью путем ее перемешивания. Если в нижних слоях жидкости температура меньше, чем температура вспышки этой жидкости, интенсивным перемешиванием более холодные слои перемещаются наверх резервуара, что приводит к прекращению горения. Интенсивность процессов горения, например, в технологических установках (топках, камерах сгорания и др.) зависит от давления. Снизив давление до определенного значения, можно настолько уменьшить число молекул в единице объема зоны реакции, что горение прекратится. Химические способы тушения пожаров связаны с торможением (ингибированием) скорости реакции окисления путем снижения концентрации молекул горючего и окислителя при введении разбавляющих их реагентов. Вещества, которые способны тормозить реакцию горения, называются ингибиторами горения (как правило, это инертные газы). Попадая в зону реакции, эти газы снижают концентрацию молекул горючего и окислителя в единице объема, что приводит к снижению скорости тепловыделения и температуры в зоне горения. IV Основные принципы тушения пожаров различных веществ На практике применяются два основных способа подачи огнетушащих веществ: в объем зоны горения («тушение по объему»); на поверхность горючего («тушение по поверхности»). При объемном тушении огнетушащее вещество может подаваться локально, т. е. непосредственно в зону горения (над локальным очагом пожара), в факел газового фонтана или в объем помещения (тушение методом затопления). В обоих случаях горение прекращается, когда концентрация подаваемого вещества становится равной огнетушащей и температура пламени снижается до температуры потухания. При тушении по поверхности температура пламени на поверхности горючего достигает температуры потухания, и горение прекращается. Массовая скорость выгорания падает ниже предельного значения, при котором концентрация горючих газов или паров над поверхностью становится меньше нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПВ). Для прекращения горения газов необходимо и достаточно отобрать непосредственно от зоны горения такое количество теплоты, чтобы температура факела понизилась до температуры потухания. Охлаждать исходное горючее или окислитель в данном случае бесполезно, так как газы воспламеняются и горят при любой реально достижимой температуре. За температуру потухания принимается адиабатическая температура горения предельно обедненной газовой смеси – смеси на НКПВ. Охлаждать необходимо факел пламени, т. е. отводить тепло непосредственно из зоны горения. На тушение газового фонтана подавать огнетушащие вещества в зону горения можно различными техническими средствами как извне, так и вместе с потоком горючего или окислителя. Например, воду можно подавать извне лафетными стволами, автомобилями газоводяного тушения, а также закачкой внутрь фонтанирующей скважины. Наиболее эффективным способом тушения пламени газового фонтана является импульсная (залповая) подача огнетушащего порошка в объем зоны горения. Необходимым условием для тушения горючей жидкости также является прекращение горения в газовой фазе. Если удается создать условия, требуемые для потухания пламени во всем объеме зоны горения одновременно, то (при отсутствии внешних источников зажигания и температуре окружающей среды ниже температуры самовоспламенения) этого будет также достаточно для тушения пожара. Это достигается подачей огнетушащих веществ объемного или объемно-поверхностного действия (газовых или порошковых составов) различными техническими средствами либо непосредственно в зону горения, либо в объем помещения (газовые или аэрозолеобразующие составы). Вместе с тем прекратить горение жидкости можно, уменьшая скорость испарения путем отвода тепла не от пламени, а от поверхностного слоя. По мере уменьшения концентрации горючего в зоне горения температура пламени понижается. Если температуру поверхности понизить до температуры вспышки, концентрация горючего над поверхностью упадет до нижнего концентрационного предела, температура пламени достигнет температуры потухания, и горение прекратится. Условием, необходимым и достаточным для тушения жидкости охлаждением поверхности, является понижение ее температуры от температуры кипения до температуры вспышки. Физически это означает, что массовую скорость выгорания надо уменьшить до такого минимального значения, при котором концентрация пара над поверхностью не превышает нижний концентрационный предел распространения пламени. Для этого интенсивность теплоотвода должна быть не ниже интенсивности теплового потока, затрачиваемого в единицу времени на образование горючей концентрации пара над поверхностью жидкости и формирование прогретого слоя. Гомогенное (пламенное) горение твердых горючих материалов (ТГМ) обусловлено образованием горючих газов в результате термического разложения вещества – пиролиза. Для этого необходимо, чтобы скорость выделения газообразных продуктов пиролиза и притока воздуха были достаточны для образования над поверхностью материала горючей смеси, т. е. смеси, в которой концентрация горючего газа не ниже НКПВ. Непрерывное поступление горючих паров и газов в зону горения поддерживается интенсивным тепловым потоком к поверхности ТГМ от собственного пламени и внешних источников. Пиролиз некоторых ТГМ начинается после плавления и протекает в тонком поверхностном слое. Как правило, это линейные несшитые полимеры (полиметилметакрилат, полиэтилен, полистирол и другие термопласты). Такие материалы, подобно жидкости, выгорают без остатка. Горение ряда ТГМ сопровождается образованием углистого слоя. Это древесина, древесно-наполненные пластмассы, материалы на основе целлюлозы, сшитые полимерные материалы – реактопласты. Для них характерны два вида горения – гомогенное (пламенное) и гетерогенное (тление). Их соотношение зависит от интенсивности тепло- и газообмена у поверхности горения. В процессе горения углистый слой аккумулирует значительное количество тепла. Температура его поверхности достигает 600–700°С, что является достаточным для зажигания горючих газовых смесей. В результате для ТГМ снижение температуры горения до температуры потухания без охлаждения прогретого слоя является условием тушения необходимым, но недостаточным, поскольку прогретый слой конденсированной фазы (твердого вещества или расплава) способен в течение некоторого времени поставлять нагретые продукты разложения и испарения в зону горения и являться источником их воспламенения. Поэтому при их тушении рассматривают еще одно достаточное условие – снижение температуры прогретого слоя до температуры начала пиролиза или плавления. V Классификация огнетушащих веществ Под огнетушащими средствами (ОС) понимают различные вещества и материалы, с помощью которых непосредственно создаются различные условия прекращения горения. Все ОС классифицируются по двум признакам: агрегатному состоянию и механизму прекращения горения. По агрегатному состоянию они подразделяются на: жидкие (вода, водные растворы смачивателей и т. д.); пенные (воздушно-механические и химическая пены); порошковые составы; сыпучие материалы (песок, земля, специальные составы и т. д.); газообразные (нейтральные газы). По механизму прекращения горения все ОС подразделяются на: охлаждающие зону химической реакции или горящие вещества (вода, водные растворы смачивателей, твердый диоксид углерода и т. д.); разбавляющие вещества в зоне реакций горения (нейтральные газы, водяной пар и т. д.); изолирующие горючие вещества от зоны горения (химическая и воздушно-механическая пены, негорючие сыпучие материалы, листовые материалы и т. д.); химически тормозящие (ингибирующие) реакцию горения (хладоны). Все огнетушащие составы оказывают комбинированное воздействие на процесс горения. Вода, например, может охлаждать и изолировать (или разбавлять) источник горения; порошковые составы изолируют и тормозят реакцию горения; наиболее эффективные газовые составы разбавляют и тормозят реакцию горения и т. д. Однако любое огнетушащее средство обладает одним доминирующим свойством, которое и необходимо учитывать при выборе ОС в конкретных условиях пожара. Широко распространены в природе естественные ОС (вода, песок и др.). Кроме того, современные технологии позволяют получать такие ОС, которые отсутствуют в природе. Однако не все ОС могут быть взяты на вооружение органами и подразделениями по чрезвычайным ситуациям, а лишь те, которые отвечают определенным требованиям: обладают высоким эффектом тушения при сравнительно малом расходе; доступны, просты в использовании и имеют низкую стоимость; не оказывают вредного воздействия при их применении на людей и материалы, являются экологически чистыми. VI Вода как огнетушащее средство Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее универсальных ОС, применяемых при тушении пожаров. Она эффективна при тушении пожаров, связанных с горением веществ, находящихся во всех агрегатных состояниях. Ее с успехом используют при тушении горящих газов, пожаров ЛВЖ, ГЖ, твердых горючих материалов. Область применения воды может быть ограничена по следующим причинам: водой нельзя тушить горючие вещества и материалы, с которыми она вступает в интенсивное химическое взаимодействие с выделением тепла и горючих компонентов (щелочные, щелочноземельные металлы, карбид кальция и т. д.), а также кислоты и щелочи, с которыми вода бурно взаимодействует; нельзя тушить водой пожары с температурой 1800–2000° С, так как при этом происходит сравнительно интенсивная диссоциация паров воды на кислород и водород, которые интенсифицируют процесс горения; водой нельзя тушить пожары, при которых ее применение не обеспечивает требуемых условий безопасности для личного состава (например, электроустановки, находящиеся под высоким напряжением). Во всех остальных случаях вода является надежным, эффективным и поэтому наиболее широко используемым средством тушения пожаров. Это объясняется наиболее удачным сочетанием физико-химических свойств с точки зрения требований к огнетушащим составам: относительно высокой термической устойчивостью, высокими теплоемкостью и теплотой испарения, относительной химической инертностью и т. д. Вода как ОС имеет свои недостатки. Сравнительно высокая температура замерзания и аномалия изменения плотности при замерзании сильно ограничивают ее использование при отрицательных температурах. Сравнительно малая вязкость и высокий коэффициент поверхностного натяжения ухудшают ее смачивающие способности и тем самым снижают коэффициент использования в процессе тушения. Но низкая стоимость, широкая распространенность, простота использования, удобства хранения и транспортировки, простота и регулируемость подачи в зону горения, безопасность применения, хорошая растворяющая способность и другие положительные свойства в значительной степени компенсируют недостатки воды. Основные физические свойства воды: плотность ρ = 1000 кг/м3 температура замерзания  = 0°С;температура кипения  = 100°С;плотность насыщенного водяного пара при 100° С и давлении 98,1⋅103 Па ρп = 0,6 кг/м3; удельная теплоемкость воды  = 4,19 кДж/(кг⋅К);удельная теплоемкость паров в диапазоне температур от 100 до 1000°С  = 2,52 кДж/(кг⋅К);скрытая теплота парообразования r = 2260 кДж/кг. По доминирующему механизму прекращения горения вода относится к категории охлаждающих огнетушащих средств. Если в факел пламени подать тонкораспыленную воду, то значительная часть или почти вся вода испарится, отняв максимальное количество тепла. Если допустить, что вся масса  воды, поданная в зону пламени, полностью испарится, то механизмы отвода тепла и механизм прекращения горения будут следующими:снижение температуры пламени из-за затрат тепла на нагревание капелек воды до температуры кипения:  ;снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразование (на испарение):  ;снижение температуры факела пламени до температуры потухания за счет смешения паров воды при температуре 1000С и реагентов в зоне реакции и за счет затрат тепла на нагревание паров воды до температуры среды в зоне горения:  ;разбавление компонентов горючей смеси в зоне химической реакции горения парами воды; изменение теплофизических свойств газовой среды (cр см; λсм и др.) в зоне горения. Количество тепла, отводимое при объемном тушении 1 л (1 кг) воды, имеющей начальную температуру = 20°С, теоретически будет равно: . т. е. 1 л воды, введенной в зону горения, при полном ее испарении и нагревании паров до наименьшей температуры пламени способен отнять от факела пламени 4860 кДж тепла.При тушении по поверхности водой, имеющей  0С ;Разбавляющий эффект воды заключается в том, что при полном ее испарении из 1 л образуется 1720 л пара, который является огнетушащим веществом. VII Нейтральные газы в пожаротушении К нейтральным газам (НГ) относятся вещества, которые химически не взаимодействуют с горючим или окислителем, но при нахождении в зоне горения оказывают влияние на протекающие в ней физико-химические процессы. К данной категории веществ относят углекислый газ, азот, водяной пар (технологический или отработанный), тонкораспыленную воду, аргон, гелий, дымовые или отработанные газы, газоводяные смеси и т. д. Механизм прекращения горения нейтральными газами является наиболее простым, если сравнивать их с другими известными огнетушащими составами (например, с пеной, порошковыми средствами, химическими активными ингибиторами и т. п.). НГ относятся к огнетушащим средствам разбавления. Попадая в зону протекания реакций горения, эти газы разбавляют горючую газовую смесь, состоящую из молекул горючего и окислителя, снижая тем самым их концентрации в единице объема. Последнее в итоге приводит к уменьшению скорости протекающих реакций и, соответственно, скорости тепловыделения, а значит, и к снижению температуры, вплоть до температуры потухания. Введение НГ в зону реакции в результате разбавления горючей смеси снижает интенсивность тепловыделения за счет уменьшения скорости реакции: ;где  – тепловой эффект реакции горения горючего газа;  – элементарный объем в зоне реакции;  – константа скорости химической реакции; ν1 и ν2 – порядок реакции соответственно по горючему и окислителю; C1 и C2 – концентрации горючего и окислителя соответственно; E – энергия активации реакций горения; R – универсальная газовая постоянная; T – температура реагирующей смеси.Другая составляющая механизма тушения нейтральными газами заключается в разбавлении воздуха и снижении в нем содержания кислорода до предельной концентрации, при которой горение невозможно. Для большинства веществ диффузионное горение прекращается при снижении концентрации кислорода до 12–15%. Для веществ, характеризующихся широкой областью воспламенения (водород, ацетилен и т. д.), металлов (например, щелочных), гидридов некоторых металлов, металлоорганических соединений, тлеющих материалов данное значение уменьшается до 5% и менее. Установлено, что введение нейтральных газов в горючую смесь сужает область воспламенения. Это в основном достигается за счет уменьшения верхнего концентрационного предела воспламенения. При некоторой концентрации разбавителя (флегматизатора) смесь становится пожаробезопасной. Данная концентрация называется минимальной флегматизирующей или минимальной огнетушащей. Кроме того, нейтральный газ уменьшает температуру окружающей среды, что приводит к повышению интенсивности теплоотвода от зоны горения за счет роста интенсивности конвективного и лучистого тепловых потоков от пламени.Нейтральные газы применяются в основном для объемного тушения пожаров классов А2 (горение твердых веществ без тления), В (горение жидких веществ), С (горение газов). Диоксид углерода (углекислый газ, CO2) находит наиболее широкое применение из указанных нейтральных газов. При повышенных концентрациях в воздухе CO2 вызывает раздражение слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. Возможно также поражение кожи, которое проявляется в виде ожога. Внезапное воздействие CO2 в количестве 6–10% об. может вызвать смертельный исход. В силу сказанного при применении углекислого газа в системах объемного тушения должно быть предусмотрено сигнализирующее устройство, предупреждающее об опасности. Промежуток времени между сигналом и пуском установки должен быть достаточным для эвакуации людей из помещения. Диоксид углерода применяется для тушения, когда использование воды или других средств может вызвать взрыв, интенсифицировать процесс горения или вызвать повреждение оборудования и материалов (телефонные станции, музеи, выставки, архивы, картинные галереи, книгохранилища, приборы под напряжением, аккумуляторные станции, сушильные печи, стенды для испытания двигателей, исследовательские лаборатории и т. д.). Кроме тушения пожаров в помещениях, пустотах конструкций CO2 применяют для защиты свободных объемов с целью предупреждения взрывов в качестве нагнетающего газа для перекачки ЛВЖ. Не рекомендуется применять CO2 для тушения пожаров в высокочувствительных установках, например в установках слабого тока, телеизвещателях, радиостанциях, электронных установках. Не используют его для тушения щелочных и щелочноземельных металлов, алюминия, некоторых гидридов и карбидов металлов, металлоорганических соединений, водорода, раскаленного угля и т. д. В случае, когда углекислый газ применять нельзя, используют азот или аргон. Для ряда горючих газов (ацетон, бензол, метан, пропан, водород и др.) минимальные количества CO2, определенные теоретически и полученные практически, представлены в справочной литературе. Для других газов теоретическую флегматизирующую концентрацию CO2 (  ) рассчитывают по предельному содержанию кислорода, которое необходимо для горения: где  – предельное содержание кислорода.Применение азота для объемного тушения экономически менее выгодно, чем двуокиси углерода. Азот используется в стационарных установках для тушения Na, K, Be, Ca и других металлов, которые горят в атмосфере СО2. Как и углекислый газ, азот плохо тушит волокнистые (хлопок, ткани и т. п.), тлеющие (дерево, бумага и т. д.) и некоторые другие материалы. Он нашел применение в технологических установках для заполнения свободных объемов и сосудов над ЛВЖ с целью предохранения производственных установок и аппаратуры от взрыва. В химическом отношении аргон является инертным газом, не образующим соединений ни с какими другими элементами. Его используют в металлургических и химических процессах, требующих инертной среды, в светотехнике, электронике, ядерной энергетике, для тушения пожаров некоторых металлов, когда использование азота может сопровождаться образованием нитридов, обладающих взрывоопасными свойствами. Водяной пар как огнетушащее средство используют в основном на предприятиях, имеющих мощное паросиловое хозяйство, – нефтеперерабатывающих заводах, тепловых станциях, деревообрабатывающих предприятиях и т. п. В силу невысокой эффективности тушения он может применяться для защиты закрытых технологических аппаратов и помещений до 500 м3 (трюмы судов, трубчатые печи нефтехимических предприятий, насосные станции по перекачке нефтепродуктов, сушильные и покрасочные камеры), для тушения небольших пожаров на открытых площадях и создания завес вокруг защищаемых объектов. Тонкораспыленная вода в виде капель размером менее 100 мкм может быть получена с помощью специального оборудования (стволов-распылителей, например). Образующиеся при этом водяные струи обладают небольшой ударной силой и дальностью полета, но способны орошать значительную площадь поверхности. В таком состоянии вода интенсивно испаряется и характеризуется повышенным охлаждающим эффектом, хорошо разбавляет горючую среду, быстро снижает температуру, осаждает дым. При этом материалы при их тушении увлажняются незначительно. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Рашоян, И.И. Физико-химические основы развития и тушения пожара: учебное пособие / И.И. Рашоян. – Тольятти; Баратов, А.Н. Пожарная безопасность: учеб. пособие для техн. вузов / А.Н. Баратов, В.А. Пчелинцев. – М. : АСВ, 1997. – 171 с. Баратов, А.Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: в 2 кн. / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук. – М.: Химия, 1990. – Кн. 1. – 496 с. Баратов, А.Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: в 2 кн. / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук. – М.: Химия, 1990. – Кн. 2. – 384 с. |