Способы и средства тушения пожаров

 

Под пожаротушением подразумевается комплекс мероприятий, направленных на ликвидацию возникшего пожара. Поскольку для возникновения и развития процесса горения, обуславливающего явления пожара, необходимо одновременное сочетание горючего вещества, окислителя и непрерывного потока тепла от очага пожара к горючему материалу, то для прекращения горения достаточно исключить какой - либо из этих элементов. Исходя из условий горения приняты различные способы тушения пожаров, т.е. способы прекращение горения. Подавление горения, прежде всего, связано с уменьшением скорости реакции взаимодействия окислителя с горючим веществом, а этого можно добиться уменьшением величины каждого из сомножителей, входящего в уравнение Аррениуса:

 

; (3.1)

 

где - предэкспонента;

и - соответственно концентрация горючего и окислителя;

, - стехиометрические коэффициенты, с которыми участвуют в реакции компоненты горючей смеси;

- энергия активизации, требуемая для такого ослабления внутримолекулярных связей, чтобы началась реакция, Дж/моль;

- газовая постоянная, Дж/(моль×К);

- температура, К.

Таким образом, прекращение горения можно добиться снижением содержания горючего компонента, уменьшением концентрации окислителя, увеличением энергии активации реакции и, наконец, снижением температуры процесса. В соответствии с такими условиями прекращения горения существуют следующие способы пожаротушения:

- охлаждение очага горения;

- изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода в воздухе путем разбавления негорючими газами;

- торможение скорости реакции окисления;

- механический срыв пламени сильной струей газа и воды.

Для осуществления этих способов применяют различные огнетушащие вещества и составы. В качестве средств тушения используют:

- воду, которая может подаваться в очаг пожара сплошными или распыленными струями;

- пены (воздушно-механическая и химическая);

- инертные газовые разбавители (диоксид углерода, азот, аргон, водяной пар, дымовые газы);

- гомогенные ингибиторы;

- гетерогенные ингибиторы - огнетушащие порошки;

- комбинированные составы.

Вода является наиболее широко применяемым средством тушения пожаров. Она обладает высокой теплоёмкостью и теплотой испарения (теплота парообразования 2258 Дж/г), благодаря чему оказывает на очаг горения сильное охлаждающее действие. Кроме того, в процессе испарения воды образуется большое количество пара (1 кг воды образует при испарении свыше 1700 л пара), который оказывает изолирующее действие на очаг пожара. К наиболее существенным недостаткам воды относятся её недостаточная смачивающая (и, следовательно, проникающая) способность при тушении волокнистых материалов (древесина, хлопок и др.) и высокая подвижность, ведущие к большим потерям воды и порче окружающих предметов. Для преодоления этих недостатков к воде добавляют поверхностноактивные вещества (смачиватели) и вещества, повышающие вязкость (натрийкарбоксиметилцеллюлоза).

Следует иметь в виду, что воду нельзя применять для тушения металлов и их гидридов и карбидов, металлоорганических соединений и некоторых других веществ.

Воздушно-механическая пена - коллоидная система, состоящая из пузырьков газа, окруженных пленками жидкости. Ее получают с помощью пеногенерирующей аппаратуры путем смешивания воды и специальных добавок - пенообразователей (ПО), обеспечивающих снижение поверхностного натяжения на границе вода-воздух, с одновременным примешиванием воздуха. В качестве пенообразователя используют соли органических сульфотокислот, фторированных соединений и др. В частности известны ПО-1Д, ПО-ЗАИ, ПО-6К - для тушения нефтепродуктов, твердых материалов, а также ПО-1C, ПО «Форэтол» - для тушения полярных легко воспламеняющихся жидкостей (спиртов, эфиров, ацетона и др.).

Химическая пена образуется при взаимодействии растворов кислот и щелочей в присутствии пенообразователя. Разрушаясь при нагревании, она выделяет углекислый газ, который снижает концентрацию кислорода в зоне горения. Химическая пена значительно легче огнеопасных жидкостей, и поэтому, плавая на поверхности, она преграждает выход паров горящей жидкости в зону горения и тушит пожар. В настоящее время химическую пену используют лишь в некоторых видах огнетушителей.

Огнетушащие свойства пены определяются ее кратностью, стойкостью, дисперсностью и вязкостью. Кратностью пены называется отношение объема пены к объему её жидкой фазы (или объема раствора, из которого она образована). По кратности пены подразделяют на низкократные - с кратностью от 8 до 40, средней кратности – от 40 до 120 и высокократные - свыше 120. Стойкость пены характеризуется ее сопротивляемостью процессу разрушения и оценивается продолжительностью разрушения пены. Высокократные пены менее стойкие. Дисперсность пены обратно пропорциональна размерам пузырьков и во многом определяет ее качество. Чем выше дисперсность, тем качественнее пена, тем больше ее стойкость, тем выше ее огнетушащая эффективнсть.

Инертные разбавители применяют для объёмного тушения и флегматизации, то есть для создания неподдерживающей горение среды с содержанием кислорода менее предельного содержания. Тушение при разбавлении среды инертными разбавителями связано с потерями тепла на нагревание этих разбавителей и снижением скорости процесса и теплового эффекта реакции. Наиболее широкое использование из подобных средств находит диоксид углерода, огнетушащая концентрация которого для большинства обычных горючих веществ составляет около 40 % по объёму. Диоксидом углерода нельзя тушить вещества, в состав молекул которых входит , щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые гидриды металлов.

Хладоны, представляющие собой предельные галогеноуглеводороды с числом атомов углерода от 1 до 3, в которых частично или полностью атомы водорода замещены атомами фтора, брома и хлора, обладают более высокой огнетушащей способностью, чем разбавители, так как способны обрывать цепную реакцию окисления. Для тушения пожаров применяют хладоны 13B1 ( ), 12B1 ( ) и 114В2 ( ), огнетушащая концентрация которых составляет всего около 2 % по объёму. Их используют для объемного тушения и флегматизации при противопожарной защите особо важных и пожароопасных объектов.

К сожалению, в последнее время выяснилось, что хладоны являются экологически вредными веществами, разрушающими озоновый слой атмосферы Земли. Причём, наиболее вредными оказались бромсодержащие хладоны. Содержащие только фторхладоны не оказывают разрушающего действия на озоновый слой. Предпринятые во многих странах поиски альтернативы хладонам привели к созданию ряда так называемых «чистых» средств объемного тушения. Наиболее приемлемыми из них оказались полностью фторированные углеводороды (перфторбутан) и (перфторциклобутан). По огнетушащей способности они более чем в 2 раза уступают бром-хладонам и поэтому не могут в полной мере удовлетворить потребностям практики.

Огнетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли (карбонат и бикарбонат натрия и калия, фосфорно-аммонийные соли, хлориды натрия и калия и др.) с различными добавками, препятствующими слеживанию и комкованию. К достоинствам порошков относится их высокая огнетушащая способность и универсальность (возможность тушения различных материалов, в том числе таких, которые нельзя тушить водой, пенами, хладонами). Механизм огнетушащего действия порошков заключается в ингибировании процессов горения из-за гибели активных центров пламени на поверхности твердых частиц или в результате их взаимодействия с газообразными продуктами разложения порошков.

В последнее время всё более широкое применение находит принципиально новое средство объёмного тушения – аэрозольный огнетушащий состав, получаемый сжиганием твердотопливной композиции окислителя и восстановителя (горючего). В качестве окислителя обычно используется неорганические соединения щелочных металлов - нитрат и перхлорат калия ( , ), в качестве горючего-восстановителя - органические смолы (эпоксидная, идитол и т.п.). Эти композиции могут гореть без доступа воздуха. Образуемый в качестве продукта сгорания аэрозоль состоит из газовой фазы - преимущественно диоксида углерода - и взвешенной конденсированной фазы в виде тончайшего порошка, аналогичного огнетушащим порошкам на основе хлорида и карбоната калия и отличающегося от обычных порошков значительно большей дисперсностью (размер частиц обычных порошков около 5·10^{-5 м, а твердых частиц состава - около 10-6} м). Заранее изготавливать, а главное, хранить порошок с размерами частиц 10^{-6 м из-за склонности к слеживанию практически невозможно. Получаемый в момент пожара порошок благодаря большой дисперсности отличается исключительно высокой огнетушащей способностью, от 5 до 8 раз превышающей огнетушащую способность наиболее эффективных средств пожаротушения - огнетушащих порошков и хладонов, и более чем на порядок все другие средства ( , , и др.). Средство объёмного тушения оказалось наилучшей альтернативой экологически вредным хладонам.}

Многие огнетушащие вещества, применяемые в автоматических системах пожаротушения, повреждают технологические установки. Поэтому выбор типа огнетушащего вещества должен определяться не только скоростью и качеством тушения пожара, но и необходимостью обеспечить минимальное суммарное повреждение, которое может быть причинено зданию и оборудованию.

3.1 Контрольные вопросы

 

3.1.1 Основные способы подавления горения исходя из уравнения Аррениуса.

3.1.2 Требования, предъявляемые к огнегасительным веществам.

3.1.3 Вода как огнегасительное средство.

3.1.4 Химическая и воздушно-химическая пена. Характеристика пены.

3.1.5 Порошковые огнетушащие составы.

3.1.6 Аэрозольный огнетушащий состав.

3.1.7 В чем заключается механизм огнетушащего действия огнегасительных порошков?

3.1.8 Какие недостатки имеет вода как огнегасительное средство?

3.1.9 Как характеризуется пена по кратности?

3.1.10 Какие средства используют для тушения особо важных и пожароопасных объектов?

 

Взрыв

При горении используется кислород атмосферного воздуха. Совершенно иначе обстоит дело в том случае, когда воздушная атмосфера не нужна, а все необходимое для реакции содержится внутри вещества. Примером такого вещества является смесь водорода с кислородом (гремучий газ). Реакция идет не с поверхности, а происходит внутри вещества. В отличие от случая горения с поверхности энергия, образующаяся при реакции, отдается почти мгновенно, вследствие этого резко повышается давление и происходит взрыв. Гремучий газ не горит, а взрывается.

Итак, взрывчатое вещество должно содержать внутри себя атомы и молекулы, нужные для реакции. Можно приготовить взрывающиеся газовые смеси. Существуют твердые взрывчатые вещества. Они являются взрывчатыми именно потому, что в их состав входят все атомы, необходимые для химической реакции, дающей тепло и свет.

Химическая реакция, происходящая при взрыве – это реакция распада, расщепления молекул на части. Например, из исходной молекулы нитроглицерина образуются молекулы углекислого газа, воды, азота. В составе продуктов реакции мы находим обычные продукты горения, но горение произошло без участия молекул кислорода воздуха – все необходимые для горения атомы содержатся внутри молекулы нитроглицерина.

Взрыв – очень быстрое выделение энергии в ограниченном объеме, связанное с внезапным изменением состояния вещества и сопровождаемое обычно разбрасыванием окружающей среды.

Можно дать взрыву и такое определение. Взрыв – это необратимая реакция превращения исходной смеси веществ в преимущественно газообразные продукты с выделением тепла по законам химической термодинамики.

Наиболее характерными являются взрывы, при которых на первом этапе внутренняя химическая (или ядерная) энергия превращается в тепловую. По сравнению с обычным топливом химические взрывчатые вещества обладают небольшим тепловыделением (4 кДж/кг). Но из-за малого времени химического превращения (до 10^-5 с), которое происходит без участия кислорода воздуха, вещество не успевает разлететься в процессе взрыва и образует газ с высокой температурой (от 2·10³ до 4·10³ К) и давлением до 10 ГПа. Расширение газа приводит в движение окружающую среду - возникает взрывная волна, скорость

распространения которой в близи очага взрыва достигает нескольких сотен метров в секунду. Взрывная волна оказывает механическое действие на окружающие объекты.

При определенных температуре, давлении и других параметрах конден­сированные (твердые и жидкие) взрывчатые вещества и взрывоопасные газовые смеси могут храниться длительное время - химические реакции в них не идут. Однако при небольших изменениях указанных параметров может произойти резкий переход от крайне медленного протекания реакции к ее прогрессивному самоускорению (автоускорению), т.е. к возникновению взрыва или к самовос­пламенению. Наличие таких критических условий - характерная черта химиче­ских взрывчатых веществ.

Тепловой взрыв - осуществляется в условиях, когда оказывается невоз­можным тепловое равновесие между реагирующим веществом и окружающей средой. При достаточно больших значениях энергии активации с увеличением температуры по закону Аррениуса скорость реакции определяется из выраже­ния (1.12):

 

.

 

Скорость большинства химических реакций с повышением температуры увеличивается. Согласно правилу Вант - Гоффа (1884 г.) при повышении температуры на каждые 10^оС скорость реакции увеличивается в 2 - 4 раза. Например, осуществить синтез воды из кислорода и водорода при 20 ^оС даже на 15 % практически невозможно (на это потребуется миллиарды лет), а при 500 ^оС для этого нужно всего 50 минут, при 700 ^оС реакция между водородом и кислородом протекает мгновенно.

Таким же образом растет и скорость тепловыделения ( ) в объеме вещест­ва ( ), определяемая из выражения (1.15):

 

.

 

Теплоотвод же во внешнюю среду q₂ через поверхность (S) зависит от температуры гораздо слабее и определяется из выражения (1.16):

 

.

 

Условию теплового равновесия соответствует равенство:

 

; (4.1)

 

то есть выделяющаяся в ходе реакции теплота должна полностью отводиться через поверхность взрывчатого вещества. Вследствие сильной нелинейности функции такое равновесие не всегда возможно.

На рисунке 4.1 приведены графики скоростей тепловыделения и теплоотвода (прямые 1, 2, 3) при различных температурах . При низких температурах (подкритическое состояние) графики и пересекают­ся. Точка их пересечения соответствует медленному течению реакции при температуре , мало отличаются от . При повышении прямые теплоотвода смещаются вправо, и при некоторой критической температуре прямая 2 касается , точка пересечения отсутствует, и, следовательно, тепловое рав­новесие невозможно.

 

 

Рисунок 4.1 - Диаграмма Семенова. Скорости тепловыделения и

теплоотвода при различных температурах

 

Если > (надкритическое состояние) экзотермическая реакция самоускоряется, выделение теплоты приводит к повышению , что, в свою оче­редь, увеличивает скорость тепловыделения - возникает тепловой взрыв.

Цепной взрыв осуществляется в таких системах, где химическая реакция развивается как разветвленная цепная реакция, в процессе которой возникают большие концентрации активных частиц - радикалов, ведущих реакцию.

В простейшем случае скорость изменения концентрации ( ) радикалов описывается уравнением:

 

, (4.2)

 

где - время, с;

- скорость спонтанного зарождения радикалов, м/с;

и - факторы развития и обрыва цепей.

Взрыв, в широком смысле этого слова, представляет собой процесс быст­рого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом её потенциальной энергии в механическую работу.

Самым существенным признаком взрыва является резкий скачок давле­ния в среде, окружающей место взрыва. Это служит непосредственной причи­ной разрушительного действия взрыва.

Взрывы могут быть вызваны различными физическими или химическими явлениями.