Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности возникновения, развития и прекращения горения мазута 10
1.1. Скорость выгорания мазута 13
1.2. Изменение фракционного состава мазута при горении 18
1.3. Теплопередача при горении мазута 22
1.4. Влияние металлической стенки резервуара 29
1.5. Пожарная опасность резервуаров с мазутом 31
Выводы по 1 главе 38
ГЛАВА 2. Средства и способы тушения мазута 41
2.1. Основные сведения о пожаротушении 41
2.2. Тушение пеной 47
2.3. Тушение методом перемешивания 67
2.4. Тушение распыленной водой 82
2.5. Тушение при помощи сеток 90
2.6. Тушение путем подачи на поверхность горящей жидкости воздуха, инертных газов, аэрозоля 104
2.7. Определение наиболее эффективного способа пожаротушения.. 117
Выводы по 2 главе 124
Заключение 127
Список использованной литературы 128
Приложение. Описание поданной в Роспатент заявки на изобретение
- Изменение фракционного состава мазута при горении
- Влияние металлической стенки резервуара
- Тушение методом перемешивания
- Тушение путем подачи на поверхность горящей жидкости воздуха, инертных газов, аэрозоля
Введение к работе
л В условиях значительного снижения запаса стоимости и остаточного
ресурса технологического оборудования вследствие коррозии, усталости, старения и износа, а также в периоды усложнения технологий, обновления материалов и смены поколений специалистов возрастает вероятность чрезвычайных ситуаций и размер ущерба при авариях на взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих объектах.
Всего в течение 1998-2003 гг. на объектах нефтегазового комплекса России произошло около 5600 пожаров унесшие жизни свыше 400 человек
[1].
Согласно [6] производственная база, которой сегодня располагает неф
теперерабатывающая промышленность, была создана в период с 1950 по
1990 годы. Поэтому тысячи нефтебаз, расположенных в городской черте,
і» представляют собой постоянную экологическую и социальную угрозу.
Особенно бедственную картину представляет собой техническое со-стояние резервуарных парков хранения нефтепродуктов. Сверхнормативные сроки эксплуатации резервуаров, нарушения при строительстве нефтебаз, при монтаже автоматических систем пожаротушения и правил их эксплуатации в период реформирования экономики привели к тому, что резервуары в настоящее время часто являются миной замедленного действия для окружающей среды.
Так, например, 23.01.1983 г. произошел пожар в резервуарном парке
Тюменской нефтебазы. Горение началось от взрыва в газовом пространстве
резервуара РВС-2000, в котором хранился мазут. В обваловании находились
» два резервуара РВС-2000, расстояние между которыми составляло 6 м. В
первом резервуаре с топочным мазутом уровень взлива продукта составлял 4,7 м, во втором (с дизельным топливом) - 4,2 м. Резервуары нагревались
внутренними теплообменниками до температуры 30С. Температура наруж-
ного воздуха была - 12С. В момент взрыва первого резервуара сорвало крышу, возник пожар. Через некоторое время произошел взрыв внутри другого резервуара, с него также была сорвана крыша. Причиной взрыва и пожара, как установила экспертиза, явилось попадание искр из дымовой трубы котельной в район смотрового люка резервуара с мазутом [2].
Приводимые А. А. Маркеевым численные значения частоты возникновения пожаров в резервуарах со стационарной крышей, по состоянию на начало 1998 года [3], дифференцированы в зависимости от функционального назначения объекта и типа хранимого продукта в расчете на один резервуар в течение года:
на нефтеперерабатывающих предприятиях - 0,002;
на складах хранения мазута - 0,006;
на объектах транспорта и распределения нефтепродуктов - 0,001.
В Англии по результатам обобщения статистических данных о пожарах по массиву в 500 резервуаров установлена частота возникновения пожаров в резервуарных парках, равная 0,001 на один резервуар в течении года [4]. Аналогичные данные получены в США - 0,001 на резервуар в год. Эти показатели соответствуют отечественным числовым характеристикам, что указывает на идентичность пожарной опасности используемых технологий хранения [5].
Так как мазут до сих пор является основным резервным топливом на различного рода котельных, ТЭЦ и т. п., то производство мазута в России остается на высоком уровне, - в 2003 г было произведено порядка 46,5 млн. т. топочного мазута [6].
Организация тушения нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках основана на оценке возможных вариантов возникновения и развития пожара. Пожары в резервуарах характеризуются сложными процессами развития, как правило, носят затяжной характер и требуют привлечения большого количества сил и средств для их ликвидации.
Обследование объектов нефтегазового комплекса выявило, что каждая вторая установка автоматического пожаротушения имеет неисправности, а свыше 35% из них находятся в неработоспособном состоянии [7].
Стационарные установки тушения пеной средней кратности морально, а на многих объектах и физически, устарели.
Анализ показал, что применение пеноподъемников при тушении пожаров также малоэффективно, тогда как затраты на их приобретение и техническое обслуживание достаточно велики. Кроме того, при пенной атаке с помощью пеноподъемника постоянной угрозе подвергается его боевой расчет, так как пожарные находятся в непосредственной близости от горящего резервуара [7].
Также необходимо учитывать отрицательное воздействие на окружающую среду такого рода огнетушащих веществ как пенообразователи.
Нынешние требования пожарной безопасности отрасли изложены в огромном количестве нормативных документов более полувековой давности, что крайне затрудняет их использование даже специалистами. При этом многие из них противоречат друг другу и попросту устарели, другие не могут быть использованы в связи с тем, что рекомендуемые в них системы защиты и средства тушения уже не производятся или не сертифицированы. Требования действующих нормативно-правовых документов к противопожарной защите резервуаров не учитывают физико-химические свойства и различия в параметрах и характеристиках горения и тушения различных нефтепродуктов. Таким образом, назрела необходимость в пересмотре и корректировке существующей нормативной базы.
Постоянное увеличение объема производства химической, нефтехимической и родственных им отраслей промышленности, рост пожарной опасности предприятий, хранилищ, складов готовой продукции приводит к необходимости более широкого внедрения автоматических установок пожаротушения. С вопросами противопожарной защиты указанных объектов тесно свя-
зана проблема защиты окружающей среды от вредного воздействия веществ и продуктов их сгорания, выбросы которых происходят в результате аварий и пожаров на предприятиях. Своевременная ликвидация загораний имеет большое значение не только для сохранения производственной базы, сырья и готовой продукции, но и для предотвращения экологических последствий. Длительная подача огнетушащих веществ будет способствовать неконтролируемому увеличению очага заражения при их растекании с уносимыми ими вредными веществами.
В соответствии с требованиями [9] наземные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов объемом 5000 м3 и более оборудуются системами автоматического пожаротушения.
Основным средством тушения пожаров в резервуарах является пена средней и низкой кратности, подаваемая на поверхность горючей жидкости. Вместе с тем СНиП 2.11.03-93 "Склады нефти и нефтепродуктов, Противопожарные нормы" «... допускает применение подслойного способа подачи пены, а также других способов и средств тушения пожаров в резервуарах, обоснованных результатами научно-исследовательских работ и согласованных в установленном порядке». Для тушения нефти и нефтепродуктов применяются отечественные и зарубежные пеногенераторы и пенообразователи, прошедшие сертификацию и имеющие рекомендации по их применению и хранению.
Внедрение в практику экологически чистых и взрывобезопасных способов хранения нефтепродуктов способно принципиально изменить сегодняшнюю технологию противопожарной зашиты резервуарных парков, основанную на применении автоматических установок пожаротушения (АУЛ).
По оценкам специалистов до 20% общих затрат на резервуарные парки приходится на АУЛ и, тем не менее, в нашей стране не зарегистрировано ни одного случая тушения пожара резервуара с помощью АУЛ.
Анализ происшедших пожаров и аварий выявил много нерешенных проблем в области обеспечения устойчивости к пожару технологий хранения, но особенно ярко - создавшуюся ситуацию, связанную с развитием градостроительства в России. Последнее привело к тому, что около 500 предприятий нефтепродуктообеспечения оказались на селитебных территориях. При этом, как показывает анализ пожаров, существующее детерминированное нормирование не способно обеспечить безопасность населения и территории от пожарной опасности вышеуказанных объектов [8].
Тем не менее, учитывая вышесказанное, внедрение в практику экологически чистых и взрывобезопасных технологий хранения нефтепродуктов способно принципиально изменить сегодняшний, основанный на применении автоматических установок пожаротушения, подход к системе противопожарной защиты резервуарных парков.
В представленном исследовании рассматриваются альтернативные способы и средства тушения пожаров в резервуарах с мазутом.
Цель и задачи исследования. Цель данного научного исследования состоит в повышении эффективности систем пожаротушения для резервуаров с мазутами. Чтобы достичь ее необходимо решить следующие задачи:
провести анализ и установить закономерности процессов возникновения, развития и прекращения горения мазута. Теоретически и экспериментально определить основные особенности и параметры его горения, отличающие мазут от других горючих жидкостей;
выявить закономерности изменения свойств мазута в зависимости от продолжительности горения;
экспериментально определить основные параметры и характеристики систем тушения пожаров в резервуарах с мазутом, влияющих на их эффективность;
исследовать возможность прекращения горения мазута нетрадиционными средствами и способами.
Объектом исследования являются системы пожаротушения резервуа
ров с мазутами, а предметом исследования эффективность их применения в
качестве установок противопожарной защиты.
, Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались экс-
периментально и аналитически с применением методов планирования эксперимента, методов подобия технических устройств и методов статистической обработки результатов испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментов по тушению модельных пожаров мазута различными средствами и способами;
способы тушения пожаров в резервуарах с мазутом;
результаты, полученные при исследовании особенностей возникновения и горения мазута.
Научная новизна результатов работы:
v - впервые разработан способ тушения пожаров в резервуарах с мазу-
том, учитывающий его физико-химические свойства, на который получено положительное решение Роспатента о выдаче патента на изобретение «Способ тушения и противопожарной защиты»;
- впервые получены экспериментальные результаты по тушению мазу
та нетрадиционными средствами и способами;
- получены экспериментальные зависимости, показывающие особенности возникновения и горения мазута.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные ре
зультаты исследования показывают эффективность новых средств и методов
систем противопожарной защиты резервуаров с мазутом и повышают их на-
дежность, экономичность и экологичность.
Кроме того, научные результаты нашли практическое применение и реализованы в Санкт-Петербургском институте Государственной противо-
пожарной службы МЧС России, и в управлении пожаротушения ГУ ГОЧС г. Санкт-Петербурга.
Апробация работы. Основные положения исследования докладывались и обсуждались в период с 2001 по 2004 год на заседаниях кафедры автоматики и средств связи, пожарной безопасности технологических процессов, химии и процессов горения Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России, а также на следующих научно-практических конференциях:
1) 2-ой международной научно-практической конференции «Проблемы
обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона», Санкт-
Петербург, Санкт-Петербургский университет МВД России, 18 октября 2001
г.;
2) международной научно-практической конференции «Проблемы
обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург,
Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы
МЧС России, 14-15 октября 2003 г.;
18-ой научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах», Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 28-29 октября 2003 г.;
9-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Деятельность правоохранительных органов и государственной противопожарной службы в современных условиях: проблемы и перспективы развития», Иркутск, Восточно-Сибирский институт МВД России 22-23 апреля 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе получено положительное решение Роспатента о выдаче патента на изобретение «Способ тушения и противопожарной защиты».
Изменение фракционного состава мазута при горении
Изменение фракционного состава нефтепродуктов при их горении представляет значительный интерес для понимания механизма горения, про грева жидкостей, явления выброса и вскипания нефтепродуктов. Наряду с этим знание его необходимо для разработки средств и способов тушения мазута.
В работе [14] пробы горючего отобранные в процессе опытов исследовались на изменение удельного веса, вязкости, температур вспышки, воспламенения, содержания смол, влаги. Необходимо отметить, что при горении мазута в его поверхностном слое наблюдается образование коксообразной корки, ухудшавшей горение, и горение сопровождалось сильным выделением сажи. Анализ проб, отобранных в разных точках по глубине нефтепродукта, показал, что в процессе горения происходит изменение фракционного состава не только в поверхностном слое, но и в толще прогретого нефтепродукта (если происходит прогрев нефтепродукта в глубину), оставаясь без измене-ния в его холодной части. Таким образом, при горении со свободной поверхности темные нефтепродукты в процессе горения изменяют свой состав во всей прогретой зоне, обедняясь той составляющей, которая богаче выступает в паровой фазе. Изменение фракционного состава нефтепродуктов при горении их со свободной поверхности в емкости большего размера наблюдается слабее, а поэтому в реальных условиях на пожарах опускание смолистых частиц в них не может иметь место. Таким образом, при горении со свободной поверхности мазут меняет свой фракционный состав в поверхностном слое нефтепродукта, а также во всей прогретой зоне в сторону утяжеления, причем в емкостях большего диаметра изменение фракционного состава в сторону утяжеления происходило менее интенсивно, чем в емкостях меньшего диаметра. В таблице 1. 3 представлены результаты экспериментальных исследований по изменению физико-химических свойств мазута прямой гонки от продолжительности горения проведенных в работе [13] на емкости диаметром 0,8 м. В нефтепродукте с течением времени горения возрастает содержание смол, увеличивается вязкость, удельный вес, растет температура вспышки, что указывает на обеднение его легкими фракциями. Однако утяжеление верхних слоев продукта не доходит до такой степени, чтобы происходило опускание их в нижележащие слои. Полученные результаты по изменению фракционного состава верхнего слоя мазута при горении со свободной поверхности в сторону утяжеления имеют практический интерес в части применения различных средств тушения. Для проверки имеющихся данных были проведены эксперименты по выявлению значений изменения температуры вспышки мазута от продолжительности горения. Опыты проводились на емкости диаметром 0,16 м и высотой 0,2 м. Высота свободного борта в начале экспериментов составляла 10 мм. Мазут с содержанием влаги 0,1 % был предварительно подогрет до температуры 80 С. Температура вспышки мазута до начала проведения опытов составляла 91 С. Данные снимались на 5, 10, 30, 40, 50 и 60 минуте горения. Измерение температуры вспышки производили согласно методики, изложенной в ГОСТ 12.1.044-89 [33].
При горении нефтепродуктов со свободной поверхности тепло, воспринимаемое путем радиации от горящего пламени, расходуется на испарение жидкости и на прогрев ее в глубину. Результаты теплофизических наблюдений опытов в работе [13] мазута прямой гонки с содержанием влаги 0,1%, имеющий температуру вспышки 182С при горении в емкости диаметром 0,8 м приведены на рис. 1.5, на котором представлена зависимость Данные о расположении термопар в емкости приведены в таблице 1.5.
В мазуте, не содержащем влагу, при горении его в емкости диаметром от 0,8 м до 2,64 м имел место прогрев нефтепродукта преимущественно за счет теплопроводности. Из рис. 1. 5 видно, что при горении мазута с содержанием влаги 0,1% накопление прогретого слоя не происходит, горизонтальных ступенек не образуется. График зависимости изменения температур по времени при горении мазута с содержанием влаги 0,1% (рис. 1. 5), резко отличается от графиков мазутов с содержанием влаги 0,5%. В работе [13] при проведении опыта на мазуте с влажностью 0,1% прогрев происходил на незначительную глубину 1,2-2 мм. В опытах с содержанием влаги 0,4-0,56% величина прогретого слоя доходила до 41 см, несмотря на то, что фракционный состав мазута во всех опытах оставался постоянным. Такое резкое отличие характера прогрева почти сухого мазута при его горении со свободной поверхности от прогрева мазута с содержанием влаги 0,4-0,56% при одинаковом фракционном составе мазутов во всех опытах объясняется усилением влияния количества содержащейся в нефтепродукте влаги с утяжелением самого нефтепродукта. Причем, с утяжелением фракционного состава содержание влаги в нефтепродуктах, необходимое для конвективного способа передачи тепла, увеличивается.
Влияние металлической стенки резервуара
Ввиду высокой температуры вспышки мазутов ( 80С), обычно превышающей их рабочую температуру, резервуары с мазутом, не должны представлять повышенной пожарной опасности. Однако имевшиеся на практике взрывы и пожары указывают на возможность образования пожаровзрыво-опасной паровоздушной среды в таких резервуарах. Это может быть объяснено прежде всего высоким содержанием легких газовых компонентов в тяжелом нефтепродукте.
В работе [15] экспериментально исследован выход летучих компонентов из темного нефтепродукта в закрытый термостатируемый аппарат. В качестве нефтепродукта использовали отбензиненную арланскую нефть, которая служит топливом для котлов электростанций, имеет температуру начала кипения 170С и по своим физическим свойствам близка к мазуту марки 40. Закрытая емкость постепенно насыщалась парами легких фракций, которые при открытом хранении безвозвратно переходили в атмосферу. При этом давление паров превысило расчетное давление на НПВ. Через 7-8 суток открытого хранения топлива максимальное давление насыщенных паров составило примерно половину начального и стало ниже давления паров, соответствующего НПВ. Выход летучих фракций из темного нефтепродукта привел к существенному изменению его температуры вспышки, которая при первом определении была равна 66С, а через девять дней возросла до 76С. По экспериментальным данным в среде над топливом находятся в % (по объему): до 0,2 пропана, до 0,2 бутана, до 0,5 пентана, до 0,7 гексана, до 1,1 гептана и до 2,4 циклана. Сумма горючих компонентов в смеси достигала 3,3 % (по объему). Расчетное (по правилу Ле-Шателье) значение НКПВ изменялось от 1,2 до 2,1 % (по объему), а значение ВКПВ - от 6,8 до 9,1 % (по объему). Одни и те же свойства для различных проб имели существенные расхождения. С увеличением температуры топлива от 20 до 90С сумма углеводородных компонентов возрастала от ОД до 3,3 % (по объему), а значение НКПВ - от 1 до 2,1 % (по объему). Среднее значение температуры вспышки в закрытом тигле составило 54 С. Этой температуре соответствовали моменты образования горючей смеси над топливом в лабораторных условиях. Однако в промышленных условиях в одном из восьми опытов горючая смесь была получена при температуре 49С.
Из рассмотренного следует, что температура вспышки, измеренная в открытом тигле, не может служить показателем пожарной опасности при оценке возможности образования горючей среды в закрытом технологическом аппарате с темным нефтепродуктом (мазутом). При нагревании такого нефтепродукта в открытом тигле содержавшиеся в нем газовые компоненты переходят в окружающую атмосферу, где быстро рассеиваются интенсивными входящими потоками воздуха. На практике при хранении мазута в закрытом резервуаре выделяющиеся пары постепенно накапливаются в свободном от жидкости пространстве резервуара. В итоге они могут образовать горючие смеси, хотя измеренная в открытом тигле температура вспышки может значительно превышать температуру хранения. Следовательно, в отношении оценки пожаровзрывоопасности налицо несоответствие между стандартным методом определения температуры вспышки и производственными условиями хранения высококипящего нефтепродукта в закрытом резервуаре. Достигнуть соответствия можно двумя путями: проведением лабораторного испытания при соответствующих производственных условиях хранения; изменением производственных условий хранения в соответствии с условиями лабораторного испытания.
Первый путь означает переход на определение температуры вспышки в закрытом тигле. Однако этот путь не является лучшим. Он позволяет довольно точно оценить реальную опасность, но не дает никаких рекомендаций по устранению или снижению самой опасности. Можно точно знать, что в резервуаре с мазутом возникают горючие смеси и что в условиях длительного хранения в крытых резервуарах мазут так же опасен, как бензин или нефть. Но при неизменности способа хранения нефтепродукта (в закрытых резервуарах) эффективные меры профилактики и защиты выработать очень трудно.
Более эффективным представляется второй путь. Вместо того чтобы в лаборатории создавать опасные производственные условия, целесообразно на производстве иметь безопасные условия стандартного лабораторного испытания. Опасность вспышки и воспламенения мазута появляется только вследствие постепенного выделения и накопления над ним газов и паров. Следовательно, необходимо устранить преграду на пути газов и паров, стремящихся выйти в окружающую атмосферу, т. е. разгерметизировать резервуар с мазутом. Кроме того, конструкция резервуара и его дыхательных устройств должна обеспечивать непрерывное интенсивное проветривание резервуара. При таких условиях пожароопасные свойства мазута (температура вспышки и нижний температурный предел воспламенения) приближаются к стандартным характеристикам, при которых мазут в обычных производственных условиях становится пожаровзрывобезопасным.
При сравнении бензиновых и мазутных резервуаров отчетливо проявляются особенности оценки пожарной опасности и защиты резервуаров с низко- и высококипящими нефтепродуктами. Пожаровзрывобезопасность резервуаров с низкокипящими нефтепродуктами типа бензин может быть обеспечена в основном выводом концентрации паров из области воспламенения за ВПВ. Чтобы не допустить опасного разбавления паров воздухом, необходимо обеспечить герметизацию резервуара. Пожаровзрывобезопасность резервуаров с высококипящими нефтепродуктами типа мазут может быть обеспечена в основном выводом концентрации паров из области воспламенения за Н1Ш. Во избежание опасного скопления паров необходимо обеспечить разгерметизацию резервуара.
При транспортировке мазута по трубопроводам, для уменьшения вязкости он подогревается, что увеличивает интенсивность испарения легких фракций и приводит к повышению содержания взрывоопасных паров над поверхностью мазута и как следствию образованию горючей среды. Период технологического нагрева жидкости представляет собой одно из наиболее пожароопасных состояний резервуара с мазутом. При этом, наличие источника инициирования горения может вызвать вспышку паровоздушной смеси. Однако достаточность выделяющейся энергии для формирования устойчивого горения мазута не исследована. В этой связи представляло интерес изучить энергетические характеристики, необходимые для воспламенения мазута.
Тушение методом перемешивания
На возможность тушения горящих нефтепродуктов методом перемешивания было впервые указано в 1904 г. русским инженером А. Г. Лораном. Этот способ не нашел в то время практического применения. Он стал разрабатываться и применяться лишь в конце сороковых и начале пятидесятых годов. Перемешивание горящей жидкости стали осуществлять пропусканием через топливо струй воздуха.
Первые исследования по тушению горящих нефтепродуктов в резервуаре перемешиванием были проведены в 1947 г. Боргойном и Кэтоном [14]. В первой серии опытов Боргойн и Кэтон перемешивали нефтепродукт при помощи воздуха, а во второй - струей перемешиваемой жидкости. Воздух и нефтепродукт вытекали из насадка, расположенного у дна резервуара. В ряде опытов пламя тушилось нефтепродуктом, взятым из нижних слоев и подаваемым на поверхность жидкости сверху. Результаты использования всех этих способов перемешивания оказались равноценными.
Боргойн и Кэтон установили условия, при которых прекращается горение перемешиваемой жидкости, а в вопросе о механизме тушения ограничились лишь качественными соображениями.
В 1953 г. опыты по исследованию тушения пламени нефтепродуктов перемешиванием последних воздухом были начаты в ЦНИИПО Я. В. Суховым и А. В. Козловым [44, 45]. Работа велась с использованием резервуаров диаметром 80 и 260 см. Определяли время тушения при различном расходе воздуха, разной высоте слоя горючего, различных размерах, количестве и расположении насадок, из которых вытекал воздух. Опытный материал, полученный Я. В. Суховым и А. В. Козловым, не был подвергнут теоретическому анализу. Никаких выводов о механизме явлений сделано не было.
Испытание нового метода тушения горения нефтепродуктов в резервуарах больших размеров было произведено ЦНИИПО в 1954 г. В отчете по этой работе была сделана попытка нарисовать картину движений, возникающих в жидкости при ее перемешивании. Было высказано предположение, что вихревые потоки в жидкости, вызванные струей воздуха, можно в первом приближении считать заключенными внутри конуса с углом а при вершине, зависящим от вязкости жидкости, и что тушение достигается, если радиус резервуара R h tga, где h - высота слоя жидкости.
В работе П. П. Павлова и Я. В. Сухова, опубликованной в 1956 г. [46], описаны результаты испытаний 1954 г. в Баку, и сделана попытка теоретически определить условия тушения пламени нефтепродуктов перемешиванием при разной высоте слоя жидкости, сгорающей в резервуарах с различными диаметрами. В последующие годы эти попытки были продолжены в ряде статей П. П. Павлова [47,48].
В 1958 г. были опубликованы работы В. И. Блинова, Г. Н. Худякова, И. И. Петрова и В. Ч. Реутта [49] и В. И. Блинова, Г. Н. Худякова и И. И. Петрова [50], в которых излагались результаты изучения движения в жидкости, перемешиваемой струей воздуха и струей той же жидкости, и данные, относящиеся ко времени тушения пламени некоторых нефтепродуктов перемешиванием. В этих работах время тушения определялось как время, необходимое для доведения температуры верхнего слоя жидкости до температуры, меньшей чем температура вспышки жидкости. Используя опытный материал и представления о процессе, авторы установили зависимость между временем тушения Т, расходом воздуха V и высотой слоя жидкости h.
Естественным продолжением [49 и 50] явились работы В. Ч. Реутта [51] и И. И. Петрова и В. Ч. Реутта [52 - 55]. В этих работах приведены дополнительные сведения о гидродинамике явления и особое внимание уделено критическим условиям тушения пламени. Авторы показали, что при тушении пламени перемешиванием существенную роль играет теплообмен между факелом пламени и жидкостью, что результаты тушения определяются средней скоростью движения жидкости на свободной поверхности, или временем пробега т элемента жидкости от буруна на поверхности жидкости до стенки резервуара и что положительный результат достигается только в том случае, когда время пробега меньше некоторой критической величины Хщ,. И. И. Петров и В. Ч. Реутт собрали большой опытный материал о времени пробега при разных условиях, и используя приемы теории подобия, проанализировали опытные данные и вывели эмпирическое соотношение, связывающее время пробега с расходом воздуха и жидкости, высотой слоя жидкости h и диаметром резервуара & Ими показано, что критическое время пробега «... не зависит от способа перемешивания. При различных высотах слоя нефтепродукта и диаметрах насадка, которым соответствуют различные значения предельного расхода воздуха и скорости истечения струи, критическое время пробега для данного вида нефтепродукта меняется только с его температурой t o - Изменение высоты слоя, диаметра насадка, влияют на время тушения, критические же условия тушения пламени остаются теми же, если величина т остается постоянной» [54]. Одним из высокоэффективных методов тушения пламени жидких топ-лив в резервуарах является метод перемешивания горящей жидкости. Физические основы этого метода станут ясными, если рассмотреть следующий пример.
В резервуаре с жидким топливом от той или иной причины происходит воспламенение паров жидкости, которое сопровождается частичным или полным разрушением кровли резервуара. Возникшее в результате горение в дальнейшем поддерживается благодаря притоку паров от жидкости и кислорода воздуха. Интенсивность горения определяется скоростью испарения жидкости, которая в свою очередь зависит от количества тепла, поступающего со стороны пламени, и от температуры на свободной поверхности топлива. С момента воспламенения температура жидкости на поверхности возрастает и, спустя некоторое время, становится равной средней температуре кипения.
Тушение путем подачи на поверхность горящей жидкости воздуха, инертных газов, аэрозоля
Большие температурные градиенты и малые времена пребывания в зоне горения способствуют тому, что размеры частиц аэрозоля, образующихся в пламени, как правило, не превышают нескольких микрометров, а сами частицы имеют весьма развитую поверхность (площадь удельной поверхности твердой фазы аэрозоля может достигать десятков м2/г. Поэтому такой аэрозоль обладает большей тушащей эффективностью, чем обычные огнетуша-щие порошковые составы. Существенную роль при этом играют общий выход аэрозоля и состав газообразных продуктов горения состава (концентрация инертных продуктов N2, С02 и т. п.) Все перечисленные факторы в целом и определяют огнетушащую эффективность состава.
Мировой приоритет в этой области противопожарной техники принадлежит бывшему СССР. В последнее время появилась информация, что такого типа разработки начали проводиться и в других странах, например, в Израиле [34, 35]. К совместным работам с российскими разработчиками подключились и фирмы из Германии Dinamit Nobel и Kidde Deugra [35]. Широкому распространению в настоящее время за рубежом аэрозольного способа пожаротушения препятствует несоответствие некоторых особенностей этих новых средств ряду положений национальных стандартов на средства пожаротушения, в частности, наличия при работе генераторов факела пламени, возможная коррозионная активность и токсичность продуктов горения, недостаточная эффективность при тушении пожаров классгИ&горические же моменты, предопределяющие возникновение аэрозольного способа пожаротушения в нынешнем его виде, отмечены в работе [36].
Возникновение первых огнетушителей, принцип действия которых имеет отношение к рассматриваемому способу пожаротушения, можно отнести, по-видимому, к моменту создания в Китае дымного пороха и применения его в военных целях в 12 веке.
Следующим шагом был огнетушитель Грейли, в котором огнетушащее вещество выбрасывалось с помощью пороха: с 1715 г. - из бочки с водой, с 1770 - из бочки с квасцами и песком. "Пожаргас" Шефтеля 4, 6, 8 килограммовые коробки, содержащие до 800 г пороховой крошки с бикфордовым шнуром и наполненные огнетуша-щими солями, широко применялись в 19 веке. В своем знаменитом огнетушителе - "жестянке" X. Г. Кюн еще в 1846 г. объединил огнетушащее вещество и порох в один состав, используя компоненты дымного пороха. Состав был переобогащен серой и содержал также 66% селитры и 4% угля. Дым из такой коробки, содержащий пары серной кислоты, губителен для всего живого и для огня. На этом и основан огнетуша-щий эффект коробок Кюна, использовавшихся для тушения пожаров в винных погребах, хранилищах спирта или керосина, магазина и т.п. Первые "жестянки" Кюна были плоскими и в таком виде запатентованы в Лейпциге Бухнером, модернизировавшим и способ тушения. Позднее Розенфельд из Манхеттена придал им форму цилиндра. Цейслер запатентовал их в Англии, изменив химический состав смеси, добавив в нее немного песка и оксида железа. Ракетные сухие огнетушители Склярского и Писарева, разработанные в 30-х годах нашего века, различались по конструкции, но огнетушащий состав изготавливался по типу состава Кюна. Новое развитие средств аэрозольного пожаротушения на базе современного состояния науки о порохах, твердых ракетных топливах и пиротехнических составов началось в 80-е годы благодаря работам НИИПХ (г. Сергиев Посад), СКТБ "Технолог" (г. Санкт Петербург) совместно с ВНИИПО МВД РФ. Впоследствии к этим работам подключились ФЦЦТ "Союз" (г. Дзержинский Московской области), НПО им. С. М. Кирова (г. Пермь), АООТ "Гранит - Саламандра" (г. Москва) и другие организации. Кроме того, в дальнейшем проводились и проводятся исследования по применению в пожаротушащих установках пиротехнических составов [37 -39], баллиститных порохов [40 - 42] и твердых топлив [43 - 46] в виде зарядов газогенераторов для вытеснения жидких и порошкообразных огнетушащих средств, а также генерации инертных газов (азот, диоксид углерода) [47,48]. Как отмечалось выше, при аэрозольном способе тушения частично реализуются элементы способа тушения огнетушащими порошками. Поэтому далее сначала остановимся на теории порошкового пламегашения, подробно рассмотренной М. Е. Краснянским [49, 50]. Рассматривая физико-химические механизмы, которые лежат в основе процесса тушения пламени кристаллическими частицами, можно выделить три: а) гетерогенное ингибирование реакций горения за счет взаимодейст вия активных частиц пламени (АЧП) типа Н, О, ОН с дефектами (F - центра ми) кристаллической поверхности или с химически пассивной "стенкой" (в последнем случае часто говорят об особом "эффекте огнепреграждения"); б) охлаждение зоны горения за счет нагревания и разложения (испаре ния) твердых частиц; в) гомогенное ингибирование реакций горения продуктами разложения (испарения) твердых частиц. Каждый из трех названных факторов является сложным суммарным процессом ряда более элементарных стадий. При этом они не просто дополняют друг друга, но находятся в сложной взаимозависимости. Так, гетерогенное ингибирование есть переплетение таких факторов, как охлаждение реакционной зоны, эмиссия вещества порошковой частицы в зону горения, дезактивация АЧП: последняя, кстати, тоже состоит из нескольких стадий (адсорбция - рекомбинация - десорбция).
