Теоретическая часть

Вода - наиболее распространенное и эффективное огнетушащее средство. Имея высокую теплоемкость (4,19Дж/кг·К) при нормальных условиях, она обладает хорошими охлаждаю­щими свойствами.

При попадании воды на горящее вещество некоторое ее количество испаряется и превращается в пар (1 л воды, испаряясь, образует 1700 л пара), который разбавляет реа­гирующие вещества. При этом вода, имея высокую теплоту парообразования (2258,41 Дж/кг), отнимает от горящих ма­териалов и продуктов горения большое количество тепла.

Вода обладает высокой термической стойкостью. Поэто­му ее пары только при температуре выше 1700°С могут раз­лагаться на водород и кислород. В связи с этим тушение водой большинства твердых материалов (древесины, пласт­масс, каучука и др.) безопасно, так как температура го­рения их не превышает 1300°С.

С некоторыми веществами и материалами вода вступает в реакцию, поэтому тушить их водой нельзя.

Наибольший огнетушащий эффект достигается при подаче воды в распыленном состоянии. Основной недостаток воды как огнетушащего средства заключается в том, что из-за высокого поверхностного натя­жения (0,07275 Дж/м²) она плохо смачивает твердые материа­лы.

Поверхностное натяжение воды можно понизить путем растворения в ней поверхностно-активных веществ (смачива­телей). В практике принято использовать растворы смачивате­лей, поверхностное натяжение которых в два раза ниже воды, то есть 0,036 Дж/м² и ниже.

Для прекращения горения необходимо применять растворы смачивателей, которые обладают наименьшим временем смачивания при оптимальной его концентрации. За оптимальное время смачивания принято 7-9 с.

Соответствующие этому времени концентрации смачивателей в воде называются оптимальными и рекомендуются к применению для тушения. Применение растворов смачивателей позволяет умень­шить расход воды при прекращении горения некоторых веществ впределах 33-50%. Особенно большой эффект дает использо­вание растворов смачивателей при тушении волокнистых ма­териалов, торфа, сажи.

Вода способна растворять некоторые пары, газы и поглощать аэрозоли. Поэтому тонкораспыленные струи воды можно использовать для осаждении продуктов горения на пожарах в зданиях. Горючие жидкости (низшие спирта, альдегида, органи­ческие кислоты и др.) способны также растворяться в воде, образуя менее горючие или негорючие растворы. Это свойство горючих жидкостей используется при тушении их водой.

Большинство пожаров связано с горением твердых горючих материалов (ТГМ). Для тушения ТГМ необходимым условием является ликвидация факела пламени. Однако достаточность этого условия зависит от характера горения твердого материала. Большинство ТГМ выделяют горючие газы в результате термического разложения (пиролиза), протекающего в поверхностном слое. Поток этих газов определяется удельной массовой скоростью выгорания. От его величины зависит интенсивность тепловыделения в зоне горения и, соответственно, температура пламени. Пламенное горение ТГМ существует, пока удельная массовая скорость выгорания не меньше некоторого предельного значения, при котором концентрация горючего в зоне горения такова, что температура пламени равна температуре потухания.

По характеру выгорания, твердые материалы со свободной поверхностью (т.е. не защищенной слоем негорючего материала) можно разделить на две группы. Первую группу составляют материалы, у которых твердая фаза непосредственно переходит в газовую без остатка. Пиролиз протекает в поверхностном слое небольшой толщины.

Это ненаполненные природные и синтетические термопластичные полимеры: целлулоид, полиметилметакрилат, полиамиды и т.п. Такие материалы выгорают без остатка подобно жидкости, в гомогенном режиме. При их тушении ликвидация (или уменьшение до критического значения) внешних тепловых потоков от собственного пламени и других источников излучения, как правило, приводит к самопроизвольному охлаждению прогретого слоя и падению массовой скорости выгорания до предельного значения. Следовательно, в таких случаях, ликвидация пламени является также и достаточным условием. Для его выполнения возможно применение способов и средств объемного тушения (газовых, аэрозольных). Хотя энергетически, более выгодно ликвидировать пламенное горение ТГМ уменьшая массовую скорость выгорания до предельного значения путем охлаждения поверхности.

Во вторую группу входят материалы, при горении которых образуется переугленный слой: древесина, картон, резина, большинство реактопластов, некоторые наполненные термопласты. У материалов этой группы сначала выгорают летучие продукты, затем, в гетерогенном режиме - переугленный слой (коксовый остаток). В процессе горения переугленный слой накапливает значительный запас тепла, как правило, достаточный для продолжения пиролиза и повторного воспламенения выделяющихся газов после ликвидации пламени. Поэтому условием необходимым и достаточным для тушения ТГМ, склонных к гетерогенному горению, является охлаждение переугленного слоя до температуры ниже температуры пиролиза. Тушение этих материалов представляет наибольшую сложность т.к. интенсивность теплоотвода от поверхности должна быть выше интенсивности поступления к ней тепла как от внешних (собственного пламени, соседних предметов и т.п.), так и внутренних источников тепла. Кроме того, переугленный слой обладает термической инерцией и на его охлаждение требуется определенное время. Поэтому время тушения таких материалов даже при бесконечной интенсивности подачи не равно нулю.

Характерным представителем материалов данной группы является древесина. Ее тушение осложняется тем, что при температурах 350 ^ 450°С в пиролизующемся поверхностном слое протекают реакции между продуктами первичного распада, сопровождающиеся выделением тепла. В результате поверхность горящего образца древесины получает тепло как извне (от собственного пламени, горящих соседних предметов и т.п.), так и от собственного прогретого слоя.

Для тушения ТГМ, чаще всего, используется вода. Это самое доступное огнетушащее вещество, обладающее потенциально очень большой охлаждающей способностью. Максимальное количество тепла, которое, при условии полного испарения, может отвести от поверхности 1л воды, определяется выражением:

Q_в= с_в(Т_к-Т_о)+ r, кДж/л

где: с_в - удельная теплоемкость воды, с_в = 4,2 кДж/(кг·град); r - удельная теплота парообразования воды, r = 2260 кДж/кг; Т_к и Т₀ - температура кипения и начальная температура воды, °С.

Принимая температуру кипения 100°С, а начальную температуру - 20°С, получим = 2600кДж/л. Это больше, чем у любого другого известного огнетушащего вещества. Огнетушащее действие увеличивает также водяной пар. Образуясь на поверхности, он разбавляет (флегматизирует) газообразные продукты пиролиза, снижая их способность к воспламенению. Достигая зоны горения, он нагревается за счет ее тепла и тем самым понижает температуру пламени.

Вместе с тем хорошо известно, что значительная часть воды, подаваемой на тушение, в прекращении горения не участвует. Коэффициент использования К_и воды всегда < 1. В значительной мере это объясняется тем, что вследствие малой вязкости и низкой смачивающей способности вода быстро стекает с горящих предметов, не успевая полностью испариться и отобрать положенное тепло. Кроме того, не всегда удается подать воду на скрытые участки поверхности. Чем больше коэффициент поверхности пожарной нагрузки, тем больше скрытых участков, тем меньше реально орошаемая площадь по отношению к площади горения. Отрицательное действие этих факторов на практике уменьшают, добавляя в воду смачиватели и применяя распыленные струи.

На практике коэффициент использования воды можно оценить как отношение минимального удельного расхода q_уд^min к фактическому - q_уд. Здесь, под минимальным удельным расходом понимается наименьшее его значение, которое было получено на практике при тушении пожаров данной площади. При S_п ≥ 50м² минимальный удельный расход воды численно равен половине площади пожара: q_уд^min = 0,5S_п, л/м².

В данной лабораторной работе коэффициент использования определяют путем прямого измерения количества воды, поданной мимо очага, а также не успевшей испариться на поверхности.

На эффективность использования воды также влияют параметры тушения. При тушении водой, как и другими известными огнетушащими веществами, параметры прекращения горения (интенсивность подачи, время тушения и удельный расход) связаны кривой тушения. Коэффициент использования имеет максимальное значение при оптимальной интенсивности подачи. Отличие интенсивности подачи от оптимальной приводит к перерасходу воды. В случае подачи воды с интенсивностью равной или меньшей критической, удельный расход бесконечен, а К_и = 0. Сравнить эффективность различных способов тушения, применяемых огнетушащих веществ при разных параметрах подачи, можно с помощью показателя эффективности тушения П_эт.

Таким образом, величина К_и в каждом конкретном случае различная и зависит от характеристик горящих материалов и изделий, характеристик воды, параметров подачи и других факторов.

Контрольные вопросы

1. Объяснить механизм тушения ТГМ водой.

2. Основной недостаток воды как огнетушащего средства.

3. Для чего нужны растворы смачивателей?

4. Как зависит эффективность использования воды от интенсивности подачи?

5. Как рассчитать коэффициент использования воды, если известны: площадь пожара (>50м²), суммарный секундный расход и время тушения?

6. Почему тушение водой большинства твердых материалов безопасно?