Физико-химические свойства и механизмы прекращения горения пеной

Свойства пены

Пены относятся к огнетушащим средствам, широко используемым при пожаротушении. Это связано с преимуществами, которыми они обладают по сравнению с таким традиционным ОС как вода. Применение пен позволяет сократить время тушения пожаров до 3 раз, уменьшить материальные потери от пожаров до 1,5 раз.

Пена представляет собой грубодисперсную двухфазную систему, состоящую из ячеек, заполненных газом и разделенных пленками жидкости. Газ (или пар), заполняющий ячейки, является дисперсной фазой, а жидкость - дисперсионной средой. Жидкую фазу пены называют отсеком.

Структура пены определяется отношением объемов газовой V_г и жидкой V_ж фаз в единице объема. Если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10-20 раз, т.е. V_г/V_ж < 10-20, ячейки, заполненные газом, имеют сферическую форму. В таких пенах пузырьки окружены слоем жидкости относительно большой толщины. С увеличением отношения V_г/V_ж до нескольких десятков или даже сотен толщина пленки жидкости, разделяющей газовые объемы, уменьшается, а газовая полость утрачивает сферическую форму и трансформируется в многогранник, причем форма многогранника может быть самой различной - параллелепипеды, треугольные призмы, тетраэдры и т.д.

Кратностью пены называется отношение объема пены V_п к объему жидкой фазы, из которой она получена:

К_п = V_п/V_ж = (V_г+ V_ж)/ V_ж

Отношение объема газа в пене к объему пены называется газосодержаниемпены b:

b = V_г/V_ж

Газосодержание и кратность связаны между собой соотношением:

b = (К_п - 1)/К_п = 1 - 1/К_п

Дисперсностьпены D_п оценивается либо средним размером пузырьков пены d_ср, либо их распределением по размерам:

D_п = 1/d_ср

d_ср = (åd_i ×N_i )/å N_i

где d_i - диаметр пузырьков фракции;

åN_i - общее число пузырьков всех фракций;

N_i - число пузырьков фракции i с диаметром d_i.

Видно, что с уменьшением диаметра пузырьков пены ее дисперсность возрастает. Если пузырьки имеют одинаковые размеры, пена называется монодисперсной, если имеется много размеров (фракций) пузырьков, пена называется полидисперсной.

На дисперсность пены оказывают влияние физико-химические свойства пенообразователя, способ смешения фаз, конструкция пеногенератора и т.д. Чем выше дисперсность пены, тем она более подвижна. С повышением кратности пены ее дисперсность уменьшается.

В зависимости от величины кратности пены разделяют на четыре группы:

1. Пеноэмульсии, К < 3;

2. Низкократные пены, 3 < К < 20;

3. Пены средней кратности, 20 < К <2 00;

4. Пены высокой кратности, К > 200.

В практике тушения пожаров используются все четыре вида пены, которые получают различными способами и с помощью разных устройств:

· Пеноэмульсии – соударением свободных струй раствора для тушения пожаров нефти в амбарах.

· Низкократные пены – в пеногенераторах, в которых эжектируемый воздух перемешивается с раствором пенообразователя.

· Пена средней кратности – на металлических сетках эжекционных пеногенераторов.

· Пена высокой кратности – в генераторах с перфорированной поверхномтью тонких металлических листов или на специальном оборудовании в результате принудительного наддува воздуха в пеногенератор от вентилятора.

Свойства пены:

- устойчивость;

- огнестойкостьпены характеризует ее поведение в реальных условиях пожаротушения.

- вязкостьпены характеризует ее способность к растеканию и оценивается коэффициентом динамической вязкости m, либо напряжением сдвига s. Коэффициент динамической вязкости возрастает с увеличением кратности пены и ее дисперсности.

- плотность пены зависит от соотношения жидкой и газовой фаз и может изменяться от 0,5 r_ж до значений, близких к r_г ( r_ж и r_г - плотности жидкой и газовой фаз, соответственно). Пены, используемые для тушения пожаров, обычно имеют плотность 10-5 кг/м³ и меньше.

- электропроводностьпены пропорциональна количеству содержащейся в ней жидкости. Экспериментально установлено, что отношение электропроводности жидкости к электропроводности пены линейно связано с отношением их плотностей. Уравнение, описывающее эту зависимость имеет следующий вид:

Х_ж/Х_п = 3/2К_п

где Х_ж, Х_п - удельные электропроводности раствора и пены, соответственно.

Передача тепла в пене происходит через пузырьки газа и через жидкостные пленки между ними. Из-за наличия газовой фазы теплопроводность пен незначительна.

2.2.2. Устойчивость пен и их разрушение.

Пена, как и любая дисперсная система, является неустойчивой. Это связано с наличием избытка поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела фаз жидкость - газ. Поэтому с момента образования пен в ней протекают процессы старения, в результате которых пена изменяет свои свойства. Разрушение пены в нормальных условиях происходит в результате истечения жидкости (синерезиса) и разрыва пленок внутри пены. Следствием этого является изменение структуры.

В реальных условиях при тушении пожара пена разрушается также в результате деформации пузырьков под действием силы трения при движении, термического воздействия окружающей среды, конвективных потоков и др. Процесс разрушения может быть охарактеризован интенсивностью разрушения, которая определяется по формуле:

I_разр = DV_п^разр/(V_п× Dt)

где DV_п^разр - объем пены, разрушенной за промежуток времени Dt;

V_п - начальный объем пены.

В настоящее время чаще пользуются понятием «устойчивость пены». Устойчивостьпены S_п - это ее способность сохранять объем, дисперсный состав и препятствовать синерезису.

Различают следующие показатели, характеризующие устойчивость пены:

- устойчивость объема пены. Характеризуется временем разрушения 25% от исходного объема.

- устойчивость к обезвоживанию (к синерезису). Характеризуется временем выделения из пены 50% жидкости.

- структурная устойчивость. Характеризуется временем изменения среднего диаметра пузырьков на 25 % от исходной величины.

- контактная устойчивость на поверхности полярных горючих жидкостей. Характеризуется временем полного разрушения пены.

- термическая устойчивость. Характеризуется временем разрушения всего объема пены под действием теплового потока от факела пламени.

- устойчивость изолирующего действия. Характеризуется временем, в течение которого слой пены препятствует воспламенению жидкости открытым источником пламени.

S_п - величина, обратная интенсивности разрушения:

S_п = 1/I_разр

Ее оценивают по времени, в течение которого из пены выделяется 50 % объема жидкой фазы, из которого она получена, т.е. 50 % отсека.

Для пен кратностью 100-1000 время выделения 50 % отсека при 20 ^оС описывается следующей эмпирической зависимостью:

q_ж = 7,7d (1 + 0,001 K_п) (мин);

где d – диаметр пузырьков фракции, К_п – кратность пены.

Устойчивость пены зависит от многих факторов, но следует выделить следующие: температура окружающей среды, дисперсноть пены (моно- или полидисперсная), ее кратность, высота слоя, давление упругих паров горючей жидкости, механическое воздействие на нее при движении, т.е.

Для повышения устойчивости пен в них вводят вещества-стабилизаторы (соли поливалентных металлов, глинозем, поливиниловый спирт, эфиры целлюлозы, полиакриламид, протеин и т.д.).