Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 11
1.1 Системы противопожарной защиты резервуаров с нефтью и нефтепродуктами 11
1.2 Характерные пожары на нефтяных и нефтеперерабатывающих предприятиях
2. Экспериментальная часть 19
2.1 Методы исследования противопожарных пен 19
2.1.1 Метод определения поверхностного и межфазного натяжений растворов пенообразователей 19
2.1.2 Методика определения времени тушения горючей жидкости подачей пены в слой нефтепродукта 20
2.1.3 Методика определения изолирующей способности пены и водных пленок на поверхности нефтепродуктов 22
2.1.4 Метод определения времени тушения нефтепродукта пеной низкой кратности и времени повторного воспламенения 24
2.2 Результаты экспериментальных исследований 25
2.2.1 Экспериментальное исследование поверхностной активности и огнетушащей эффективности пены низкой кратности 25
2.2.2 Тушение пламени нефтепродуктов пеной на основе фторсодержащих пенообразователей 29
2.2.3 Комплексное исследование огнетушащей эффективности пены полученной из фторированного пенообразователя 36
2.2.4 Тушение пламени нефтепродуктов с различной температурой вспышки
2.2.5 Влияние кратности пены на минимальный удельный расход и оптимальную интенсивность подачи пенообразующего раствора 51
2.2.6 Влияние фторированного стабилизатора на огнетушащую эффективность пены 57
3 Обсуждение результатов исследований 68
3.1 Влияние природы пенообразователя на огнетушащую эффективность пены 3.1.1 Влияние природы пенообразователей на огнетушащую эффективность пены низкой кратности 77
3.1.2 Анализ результатов экспериментов при подаче пены низкой кратности 80 в слой горючего 80
3.2 Анализ материального баланса пены при тушении пламени гептана различными способами 83
3.3 Анализ влияния кратности на огнетушащую эффективность пены 92
Заключение 96
Список литературы
- Характерные пожары на нефтяных и нефтеперерабатывающих предприятиях
- Методика определения времени тушения горючей жидкости подачей пены в слой нефтепродукта
- Комплексное исследование огнетушащей эффективности пены полученной из фторированного пенообразователя
- Анализ результатов экспериментов при подаче пены низкой кратности 80 в слой горючего
Введение к работе
Актуальность работы. Переработка и транспортировка нефти и нефтепродуктов сопряжены с риском возникновения пожаров. Исследования, посвященные тушению пожаров нефтепродуктов, были проведены в работах В.И. Блинова, Г.Н. Худякова, И.И. Петрова, В.Ч. Реута и других ученых.
Противопожарная защита резервуарных парков осуществляется
различными системами пенного пожаротушения. Начиная с 2000 года, большинство построенных и переоборудованных резервуарных парков эксплуатируют систему подслойного тушения пожаров в резервуарах, а в качестве пенообразователей применяют составы, содержащие фторированные стабилизаторы. Несмотря на использование новых систем пожаротушения и фторированных пенообразователей тушение пожаров в резервуарных парках остается нерешенной проблемой. Пожары в резервуарах на раннем этапе не удается прекратить ни с помощью автоматической системы пожаротушения, ни подачей пены в основание резервуара. Низкая эффективность систем, обеспечивающих тушение пожара, может быть связана с рядом особенностей, которые сопровождают процесс подготовки и тушения, в том числе выбор пенообразователя, способа приготовления рабочего раствора, способа введения пены в нефтепродукт, а также вариантов снижения встречного течения пены и горючей жидкости.
Во многом эффективность систем пожаротушения обусловлена видом
пенообразователя. Состав пенообразователя по химической природе,
количеству и соотношению исходных компонентов установить достаточно
сложно, поэтому понятие природа пенообразователя включает в себя комплекс
физических параметров. Установление взаимосвязи комплекса физических
характеристик с эффективностью пенообразователя при тушении
нефтепродуктов, а также выявление оптимального режима тушения пожаров в резервуарах пеной является актуальной задачей, имеющей важное научно-практическое значение для объектов нефтегазовой отрасли.
Степень разработанности темы исследования. Существующие
системы пенного пожаротушения в большинстве случаев не обеспечивают ликвидацию горения нефтепродуктов в резервуарах на начальной стадии развития пожара. Современным системам тушения пожаров нефтепродуктов были посвящены результаты исследований, проведенных в ФГБУ ВНИИПО МЧС России и Академии ГПС МЧС России под руководством Баратова А.Н., Абдурагимова И.М. и. Шароварникова А.Ф. По результатам данных работ был разработан отечественный вариант системы подслойного тушения резервуаров. Несмотря на положительные результаты полигонных испытаний, тушение пожаров, произошедших в последнее время, вызывает множество проблемных вопросов. Они связаны, прежде всего, с отсутствием данных о влиянии природы современных пенообразователей на эффективность тушения, а также оптимальной кратности пены для различных способов ее подачи. Особенно актуальными и своевременными в настоящее время являются исследования особенностей тушения пламени нефтепродуктов пеной с использованием новых систем и специальных пенообразователей.
Цель работы – установление оптимальных параметров процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной с использованием пенообразователей различной природы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
– провести экспериментальные исследования огнетушащей
эффективности пены, полученной из водных растворов с различной концентрацией пенообразователя и с различным коэффициентом растекания раствора пенообразователя по гептану;
– установить зависимость оптимальной интенсивности и минимального удельного расхода от интенсивности подачи пенообразующего раствора, изучить влияние величины кратности пены и условий подачи пены на горящую поверхность нефтепродукта;
– выявить механизм процесса тушения пламени нефтепродуктов с различной температурой вспышки и объяснить причины существования экстремальной зависимости удельного расхода от интенсивности подачи пены как при подаче пены на горящую поверхность, так и под слой горючего;
– разработать методику направленного регулирования огнетушащей эффективности пены за счет добавок фторированных стабилизаторов.
Объект исследования – процесс тушения пламени нефтепродуктов пеной, полученной из водных растворов пенообразователей различных типов.
Предмет исследования – огнетушащая эффективность пены при ее подаче на горящую поверхность и под слой нефтепродукта.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Определены оптимальные параметры процесса тушения пламени
нефтепродуктов (интенсивность подачи пенообразующего раствора и
минимальный удельный расход пенообразующего раствора для различных
пленкообразующих пенообразователей).
2. Установлено, что при подаче пены, полученной из пленкообразующего
пенообразователя, на горящую поверхность оптимальная интенсивность
повышается по сравнению с ее подачей под слой горючего на 25–30 %, при
этом величина минимального удельного расхода повышается с 0,8 до 1,5 кг/м2.
3. Определена зависимость огнетушащей эффективности пены,
полученной из водных растворов пенообразователя, от коэффициента
растекания растворов по углеводороду. Установлено, что при снижении
коэффициента растекания с 2,0 до 0,2 мН/м, оптимальная интенсивность
повышается с 0,03 до 0,05 кг/(м2с) при тушении пламени нефтепродукта.
4. Впервые показано, что при подслойном способе тушения пламени
бензина повышение кратности пены с 4 до 12 ведет к снижению оптимальной
интенсивности и минимального удельного расхода пенообразователя в 2 раза,
а при тушении дизельного топлива – в 3 раза.
5. Предложены расчетные формулы, учитывающие изменение кратности
пены в диапазоне от 4,0 до 10 для оценки времени тушения и удельного расхода
пенообразователя.
6. Выявлено влияние температуры вспышки нефтепродукта на
огнетушащую эффективность пены, полученной из углеводородных и
пленкообразующих пенообразователей различной природы.
7. На базе исследований поверхностной активности в системе раствор –
углеводород предложен способ направленного повышения огнетушащей
эффективности пены путем введения фторированных стабилизаторов,
обеспечивающих получение нулевого значения коэффициента растекания
горючего по водному раствору пенообразователя.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что
полученные зависимости огнетушащей эффективности пены от коэффициента
растекания раствора пенообразователя по углеводороду и кратности пены,
обеспечивают оптимизацию необходимого нормативного запаса
пенообразователя на объектах резервуарных парков. Применение на практике
способа направленного регулирования (повышения) огнетушащей
эффективности пены позволяет повысить надежность систем противопожарной защиты на складах нефти и нефтепродуктов, а также обеспечить выполнение нормативных требований по пожарной и промышленной безопасности.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы
использованы методы статистического анализа, экспериментального
исследования, описания, обобщения, а также методы, установленные национальными стандартами РФ:
– ГОСТ Р 53280.2–2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний»;
– ГОСТ Р 50588–2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний».
Материалы диссертации реализованы при:
– разработке изменений № 1 в своде правил СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности»;
– разработке рецептуры углеводородных и фторсинтетических
пенообразователей ООО «Компания «ЮГРОСПРОМ»;
– разработке рабочей программы по дисциплине «Химия»
по направлению подготовки 20.05.01 «Пожарная безопасность»;
– выполнении научно-исследовательской работы на тему: «Разработка модели проекта стенда и методики для получения и испытания пены высокой кратности».
Положения, выносимые на защиту:
– комплекс экспериментальных исследований по установлению оптимального режима процесса тушения пламени нефтепродуктов, включая интенсивность и минимальный удельный расход пенообразующего раствора для ряда пленкообразующих пенообразователей;
– механизм повышения огнетушащей эффективности при подслойной подаче пены за счет снижения температуры поверхности всплывающими холодными слоями нефтепродукта на горящую поверхность;
– зависимость огнетушащей эффективности пены, полученной из водных растворов пенообразователя, от коэффициента растекания данных растворов по углеводороду;
– влияние кратности пены при подслойном способе тушения пламени бензина на оптимальную интенсивность и минимальный удельный расход пенообразователя;
– способ направленного повышения огнетушащей эффективности пены в системе раствор – углеводород на базе исследований поверхностной активности путем введения фторированных стабилизаторов.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается использованием современных приборов и измерительной аппаратуры, обеспечивающих точность измерений основных контролируемых параметров (времени, температуры, массы) с относительной ошибкой не более 5 %; воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований.
Основные результаты работы были представлены на следующих
конференциях: 3-я научно-практическая конференция «Пожаротушение:
проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС
России,2014 г.), 23-я международная научно-техническая конференция
«Система безопасности 2014» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014 г.),
4-я научно-практическая конференция «Пожаротушение: проблемы,
технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2015 г.),
всероссийская научно-практическая конференция с международным участием
«Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (г. Воронеж, Воронежский
институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 2015 г.),
всероссийская конференция и школа для молодых ученых «Системы
обеспечения техносферной безопасности» (г. Таганрог, Южный Федеральный
Университет, 2015 г.), конференция «Обеспечение безопасности
жизнедеятельности: проблемы и перспективы» (г. Минск, Командно-инженерный институт МЧС Беларуси, 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 8 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 111 страницах машинописного текста, включает в себя 4 таблицы, 59 рисунков, список литературы из 79 наименований.
Характерные пожары на нефтяных и нефтеперерабатывающих предприятиях
В Литве на Мажейкяйском нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ) в четверг возник пожар, который удалось потушить только через несколько часов. Пожар возник около 14:30 по местному времени (15:30 мск) и продолжался примерно пять с половиной часов. Сначала пламенем было охвачено около 800 м2, примерно через два часа пожар был локализован, продолжало гореть около 500 м2, затем площадь горения постепенно сужалась [35].
10 марта 2007 года крупный пожар произошел на нефтеперерабатывающем заводе в Волгограде, дочернем предприятии НК «Лукойл». Инцидент произошел около 13:00 мск. Пожару был присвоен третий уровень сложности, к заводу прибыли 12 пожарных расчетов. Общая площадь возгорания составила около 400 м2 [36].
22 августа 2009 года произошел один из крупнейших пожаров на объектах ТЭК России: горела и взрывалась линейная производственно-диспетчерская станция (ЛПДС) «Конда» (рисунок 1.5).
Пожар на ЛПДС «Конда»: а – Последствия пожара, вид сверху; б – Разрушение резервуаров 22 августа 2009 года из-за прямого попадания грозового разряда произошло возгорание РВС № 7 на ЛПДС «Конда». В результате попадания молнии произошел взрыв в паровоздушном пространстве РВС, что привело к разрушению и смещению крыши резервуара. Дальнейшее распространение пожара, вероятнее всего, произошло путем переноса источника зажигания через газоуравнительную систему.
РВС № 8 был разрушен полностью после произошедшего взрыва. В зону поражения взрывной волной от взрыва и разрушения РВС № 8 попадают личные составы ПЧ-133 и ПЧ-115, осуществляющие тушение пожара. Частично разрушается обвалование РВС № 8, из-за чего горящая нефть разливается за пределы резервуарного парка.
В результате пожара, вспыхнувшего на предприятии в субботу утром, погибло 48 человек. Возгорание паров пропана на заводе произошло в зоне нефтехранилищ. Позже воспламенились два резервуара. Огонь перекинулся на расположенную поблизости казарму, трубопроводы и припаркованные рядом автомобили. В ночь на вторник огонь охватил третий резервуар с нефтью. По данным местных властей, в результате взрыва и последовавшего за ним пожара пострадали более 200 жилых домов [39]. 23 августа 2013 года произошел пожар на нефтехранилище под Иркутском.
На полную ликвидацию огня ушло более суток. В среду в 9:53 (мск) пожар был локализован, в четверг в 12:35 – возгорание было полностью ликвидировано. Площадь пожара составляла 2100 м2. К ликвидации возгорания были привлечены 153 человека и 53 единиц техники, в том числе от МЧС России 84 человека и 26 единиц техники. Пострадавших нет [40]. 14 апреля 2014 года в городе Саратове на установке по перегонке нефтепродуктов нефтеперерабатывающего завода произошло возгорание. Площадь пожара составляла 1000 м2 [41]. 8 июня 2015 года возник пожар на нефтебазе под Киевом, на территории нефтебазы компании «БРСМ-Нафта» в Васильковском районе Киевской области (рисунок 1.7).
Пожар на территории нефтебазы в селе Крячки Васильковского района начался вечером 8 июня. Огнем были охвачены, по разным данным, от 12 до 17 резервуаров, в результате чрезвычайного происшествия пять человек погибло, 18 получили ранения [42].
Данные примеры показывают, что пожары нефти и нефтепродуктов чаще всего несут затяжной характер и влекут за собой огромный ущерб, как в экономическом, так и в экологическом плане. На большинстве приведенных объектов стояли автоматически системы пенного пожаротушения, но из-за ряда факторов они не смогли справиться со своей задачей. На сегодняшний день данные по описанию пожаров на объектах резервуарных парков, как в России, так и за рубежом не позволяют в полной мере выявить причины неэффективного применения пенообразователей, как в системах пожаротушения, так и с помощью оперативных подразделений от передвижной пожарной техники. В связи с этим возникает задача исследования особенностей процесса тушения пламени нефти и нефтепродуктов пенообразователями различной природы, а также различными способами подачи пены на горящую поверхность и в слой нефтепродукта с определением оптимальных параметров процесса тушения.
Методика определения времени тушения горючей жидкости подачей пены в слой нефтепродукта
При использовании всех пленкообразующих пенообразователей прослеживается экстремальная зависимость удельного расхода пенообразующего раствора от интенсивности подачи пены. Положение минимума на кривых удельного расхода указывает на положение оптимальной интенсивности подачи пены. Для испытанных пенообразователей оптимальная интенсивность подачи пены на горящую поверхность была выше, чем при подаче пены в слой горючих жидкостей. Это свидетельствует о меньших затратах раствора пенообразователя на тушение подслойным способом при проведении данного эксперимента.
Данное заключение прослеживается на всех испытуемых образцах рассмотрим его на примере пенообразователя «Shtamex-AFFF» сохраняя одинаковые условия проведения эксперимента при тушении как подачей на поверхность, так и подачей под слой нефтепродукта получены следующие показатели: критическая интенсивность подачи (соответствует той интенсивности, при которой количество подаваемой пены равно количеству разрушаемой пены в единицу времени, т.е. наступает момент невозможности потушить пламя при данной интенсивности подачи) при тушении гептана подачей на поверхность равна 0,02 кг/(м2с) и при подаче под слой 0,015 кг/(м2с), для дизельного топлива соответственно 0,02 кг/(м2с) и 0,015 кг/(м2с); оптимальная интенсивность подачи (показатель определяющий при какой интенсивности будет затрачено наименьшее количество раствора пенообразователя) при тушении гептана подачей на поверхность равна 0,035 кг/(м2с), при подаче под слой 0,025 кг/(м2с), для дизельного топлива соответственно 0,025 кг/(м2с) и 0,024 кг/(м2с); минимальный удельный расход затрачиваемый на тушение гептана при подаче на поверхность равен 1,1 кг/м2 и при подаче под слой 0,8 кг/м2, для дизельного топлива соответственно 0,8 кг/м2 и 0,7 кг/м2.
Применение пены низкой кратности особенно эффективно при тушении розливов нефтепродуктов, которые происходят при разрушении резервуаров во время пожара. Из-за интенсивного излучения от факела пламени подойти к пожару на близкое расстояние не удается, поэтому остается способ подачи пены в виде компактных навесных струй. Поскольку пена, полученная на основе углеводородных пенообразователей, смешивается с нефтепродуктом при падении на поверхность горящего розлива, то для обеспечения эффективности тушения пожара используют пенообразователи с фторированными стабилизаторами. Наличие ФПАВ обеспечивает водному пенообразующему раствору низкое поверхностное натяжение, которое оказывается ниже поверхностного натяжения нефтепродукта [46]. Пена, полученная из растворов со фторированными веществами приобретает устойчивость к смешению с горючим, а также обеспечивает возможность формирования на поверхности углеводорода тонкой водной пленки. Пенообразователи, имеющие положительный коэффициент растекания водного раствора по углеводороду, относятся к группе пленкообразующих. Пена на основе пленкообразующих пенообразователей сохраняет огнетушащую эффективность при подаче непосредственно в слой горючего, при подъеме через нефтепродукт к горящей поверхности во время пожара в резервуаре [23]. Огнетушащая эффективность пены зависит не только от состава пенообразователя, но и от величины кратности пены. На основе испытаний пены из углеводородного пенообразователя ПО-1 в работах [2, 61] было показано, что при подаче пены на горящую поверхность время тушения снижается в два раза при увеличении кратности пены от 4 до 10. Для пены, полученной из фторированых пленкообразующих пенообразователей, такие данные отсутствуют. В данном разделе экспериментально исследовали влияние кратности пены на минимальный удельный расход пенообразующего раствора с определением оптимальной интенсивности подачи пены при подаче пены в слой горючего в основание модельного резервуара.
В качестве горючей жидкости использовали гептан и дизельное топливо. В качестве примера на рисунке 2.30 приведены изотермы поверхностного и межфазного натяжения на границе с гептаном водных растворов пенообразователя «Шторм». Коэффициент растекания водного раствора по углеводороду определяли по формуле (1). Коэффициент растекания и изотермы поверхностного и межфазного натяжений пенообразователя «Шторм» на границе с гептаном По мере увеличения концентрации пенообразователя величина поверхностного натяжения водного раствора снижается до величины 16,8 мН/м. При концентрации пенообразователя выше 1 % коэффициент растекания становится положительным. С помощью аналогичных исследований выявлены концентрации пенообразователей, имеющие положительный коэффициент растекания.
Следовательно, судя по диаграмме, удается различить качество пенообразователей, на основе которых «Шторм» можно рекомендовать для использования в системе послойного тушения пламени нефтепродуктов, данные пенообразователи должны иметь положительный коэффициент растекания раствора по горючему веществу, что позволит пене, не загрязнятся нефтепродуктом, поэтому все растворы испытанных пенообразователей имели положительное значение коэффициента растекания рабочих водных растворов по гептану.
Комплексное исследование огнетушащей эффективности пены полученной из фторированного пенообразователя
Оба фактора скажутся на снижении величины удельной скорости термического разрушения пены.
В общем случае скорость испарения жидкости определяется суммой мольного и диффузионного потоков пара. Детальный анализ процесса испарения с открытой поверхности был дан с помощью формулы Стефана. С помощью этой формулы можно проанализировать влияние основных параметров, изменяющихся в процессе тушения на скорость испарения ГЖ: b Pa-Ps v где D0 – коэффициент диффузии молекул ГЖ в газовой фазе при нормальной температуре Т0; ТF – температура газовой фазы; R – универсальная газовая постоянная; Ра – атмосферное давление; – толщина диффузионного слоя; Р1 – давление пара ГЖ в окружающей среде на расстоянии от поверхности; Рs – давление насыщенного пара ГЖ при температуре поверхности Тs; um0 – удельная скорость испарения.
Показатель степени n для углеводородов приблизительно равен двум, т.е. m = 2.
В соответствии с формулой Стефана, скорость выгорания (испарения при горении) будет тем выше, чем больше давление пара жидкости Рs и чем выше температура в газовой фазе. При горении величина Р1, как правило, очень мала, поскольку измеряется в зоне горения, а толщина диффузионного слоя измеряется от поверхности ГЖ до зоны горения. При ламинарном горении ГЖ в цилиндрических горелках величина равна высоте свободного борта, а при турбулентном горении фактическому расстоянию до факела пламени. Снижение давления насыщенного пара, происходящее из-за подъема охлажденной жидкости, рассчитывается по уравнению Клаузиса - Клапейрона: In — = , (12) VP0 J R VTs ToJ где Т 0, Тs - температуры поверхности, которой соответствуют значения Р0 и Рs; АН - теплота испарения ГЖ; R - универсальная газовая постоянная.
Снижение температуры поверхностного слоя происходит пропорционально величине потока жидкости, который увлекается пеной. В соответствии с выводами Блинова В.И. [1], расход потока жидкости пропорционален интенсивности подачи воздушной струи. В данном случае, поток пены низкой кратности:
Количество тепла q0, поступающее от факела пламени к поверхности горючей жидкости S0, в стационарном режиме горения можно выразить через удельную массовую скорость ее выгорания и м и удельную теплоту, необходимую для нагревания воды до температуры кипения Qг : К = —, (14) q0=2UмQгS0. (15) Учитывая, что примерно такое же количество тепла отводится на прогрев жидкости в глубину, в формулу (15) введем коэффициент 2. Принимая, что причиной разрушения пены является нагревание верхнего слоя пенных пузырьков тепловым потоком от факела пламени до температуры кипения, получим формулу для оценки удельной скорости термического разрушения пены без учета понижения температуры поверхностного слоя: и0=мг QНВ (16)
При подаче пены в основание резервуара скорость выгорания, в соответствии с формулами, снизится вследствие понижения температуры поверхностного слоя. Принимая, что скорость выгорания пропорциональна температуре, получим выражение для расчета величины теплового потока и удельной скорости разрушения пены при частичном охлаждении горящей поверхности:
При использовании формул будет определена новая скорость поступления пара при пониженной температуре, вызванной подъемом холодной жидкости. Температура поверхностного слоя при интенсивности подачи пены, равной или превышающей критическую, равна половине от суммы температуры кипения и окружающей среды: Т = (ТК+Т0)/2.
Выражение для удельной скорости термического разрушения пены представим в следующем виде: и 6UMQr ТК+Т0 q QНВ 2Т0 (17) При анализе материального баланса в процессе тушения пламени подачей пены в основание резервуара необходимо для расчета удельной скорости термического разрушения пены использовать формулу (17), а при подаче пены на горящую поверхность - формулу (16). Материальный баланс пены при тушении пламени гептана пеной может быть представлен в следующем виде: qdx = O-Soi +UJdx + р h S0 dQ, (18) поданная пена [потери термические и контактные] [накопление] где q - расход пены, кг-с"1; т - время тушения, с; So - площадь поверхности горения, - средняя, удельная скорость термического разрушения, кг/(м2с); Uк - средняя удельная скорость контактного разрушения пены, кг/(м2с); р -средняя плотность пены, кг/м3; h - средняя толщина слоя пены, м; Компонента удельной скорости термического разрушения определяется по формулам (7) или (8) в зависимости от способа подачи пены: на горящую поверхность или в слой нефтепродукта, соответственно. Степень покрытия горящей поверхности пеной ТГМ Є представлена формулой 6=5/5о, (19) где S - площадь поверхности, покрытая слоем пены, м2; S0 - исходная поверхность горения, м2. Условие тушения: 6 = 1; т = тт. Разделим переменные и произведем интегрирование в пределах: 0 = О;т = О;0 = 1;т = тт. Получаем: (20) Т — ІҐ1 и ±и ! S0(Uт+Uк))
Обозначим q/S0 = J, разделив числитель и знаменатель выражения под логарифмом на S0, проведем анализ формулы (20). При равенстве числителя и знаменателя в выражении под логарифмом возникает критическая ситуация, поскольку логарифм нуля равен бесконечности, т. е. время тушения становится бесконечно большим. Поэтому ситуация q/S0 S0(UТ + UК) называется критической, а выражение q/S0 = S0(UТ + UК) Jк называется критической интенсивностью подачи пены. Формулу (20) представим в виде, удобном для дальнейшего анализа результатов экспериментов:
Дальнейший анализ проведен по работам [47, 48]. Средняя толщина слоя пены определяется полусуммой минимальной толщины h0 и толщиной слоя в месте появления (падения) пены hq, причем hq = Jn. Показатель степени не определен, но, судя по экспериментам, находится в диапазоне от 0,5 до 1,0. Конкретное значение этого параметра уточняется по экспериментальным результатам зависимости удельного расхода от интенсивности подачи пены.
Анализ результатов экспериментов при подаче пены низкой кратности 80 в слой горючего
Снижение температуры поверхностного слоя происходит пропорционально величине потока жидкости, который увлекается пеной. В соответствии с выводами Блинова В.И. [1], расход потока жидкости пропорционален интенсивности подачи воздушной струи. В данном случае, поток пены низкой кратности: qg=$qf- (13) Количество тепла q0, поступающее от факела пламени к поверхности горючей жидкости S0, в стационарном режиме горения можно выразить через удельную массовую скорость ее выгорания и м и удельную теплоту, необходимую для нагревания воды до температуры кипения Qг : К = —, (14) q0=2UмQгS0. (15)
Учитывая, что примерно такое же количество тепла отводится на прогрев жидкости в глубину, в формулу (15) введем коэффициент 2. Принимая, что причиной разрушения пены является нагревание верхнего слоя пенных пузырьков тепловым потоком от факела пламени до температуры кипения, получим формулу для оценки удельной скорости термического разрушения пены без учета понижения температуры поверхностного слоя: и0=мг QНВ (16)
При подаче пены в основание резервуара скорость выгорания, в соответствии с формулами, снизится вследствие понижения температуры поверхностного слоя. Принимая, что скорость выгорания пропорциональна температуре, получим выражение для расчета величины теплового потока и удельной скорости разрушения пены при частичном охлаждении горящей поверхности:
При использовании формул будет определена новая скорость поступления пара при пониженной температуре, вызванной подъемом холодной жидкости. Температура поверхностного слоя при интенсивности подачи пены, равной или превышающей критическую, равна половине от суммы температуры кипения и окружающей среды: Т = (ТК+Т0)/2.
Выражение для удельной скорости термического разрушения пены представим в следующем виде: и 6UMQr ТК+Т0 q QНВ 2Т0 (17) При анализе материального баланса в процессе тушения пламени подачей пены в основание резервуара необходимо для расчета удельной скорости термического разрушения пены использовать формулу (17), а при подаче пены на горящую поверхность - формулу (16). Материальный баланс пены при тушении пламени гептана пеной может быть представлен в следующем виде: qdx = O-Soi +UJdx + р h S0 dQ, (18) поданная пена [потери термические и контактные] [накопление] где q - расход пены, кг-с"1; т - время тушения, с; So - площадь поверхности горения, - средняя, удельная скорость термического разрушения, кг/(м2с); Uк - средняя удельная скорость контактного разрушения пены, кг/(м2с); р -средняя плотность пены, кг/м3; h - средняя толщина слоя пены, м; Компонента удельной скорости термического разрушения определяется по формулам (7) или (8) в зависимости от способа подачи пены: на горящую поверхность или в слой нефтепродукта, соответственно. Степень покрытия горящей поверхности пеной ТГМ Є представлена формулой 6=5/5о, (19) где S - площадь поверхности, покрытая слоем пены, м2; S0 - исходная поверхность горения, м2. Условие тушения: 6 = 1; т = тт. Разделим переменные и произведем интегрирование в пределах: 0 = О;т = О;0 = 1;т = тт. Получаем: (20) Т — ІҐ1 и ±и ! S0(Uт+Uк))
Обозначим q/S0 = J, разделив числитель и знаменатель выражения под логарифмом на S0, проведем анализ формулы (20). При равенстве числителя и знаменателя в выражении под логарифмом возникает критическая ситуация, поскольку логарифм нуля равен бесконечности, т. е. время тушения становится бесконечно большим. Поэтому ситуация q/S0 S0(UТ + UК) называется критической, а выражение q/S0 = S0(UТ + UК) Jк называется критической интенсивностью подачи пены. Формулу (20) представим в виде, удобном для дальнейшего анализа результатов экспериментов: ph. т In 1- к. (21) J Дальнейший анализ проведен по работам [47, 48]. Средняя толщина слоя пены определяется полусуммой минимальной толщины h0 и толщиной слоя в месте появления (падения) пены hq, причем hq = Jn. Показатель степени не определен, но, судя по экспериментам, находится в диапазоне от 0,5 до 1,0. Конкретное значение этого параметра уточняется по экспериментальным результатам зависимости удельного расхода от интенсивности подачи пены.