6.6. Тепловая теория потухания пламени

Общеизвестно, что в ос­нове горения лежит химическая реакция окисления, сопровождающаяся вы­делением тепла и света. Следовательно, чтобы потушить пожар, основным процессом которого является горение, необходимо каким-либо образом воздействовать на реакцию горения, уменьшить её скорость или прекратить реакцию вообще. Ранее были рассмотрены некоторые предельные параметры, при которых наступает прекращение горения. Механизм прекращения горения объясняется тепловой теорией потухания пламени.

Тепловая теория потухания пламени разработана Я. Б. Зельдовичем, Д. А. Франк-Каменским, Л. А. Вулисом, В. И. Блиновым и другими отечественными исследователями. Сущность тепловой теории потухания пламени: если температуру в зоне протекания химических реакций горения (пламени) снизить до 1000⁰С любым способом, то процесс самопроизвольного горения станет невозможным, т. е. температура потухания пламени составляет t^пот._пл. = 1000 ⁰С.

Необходимо отличать понятие потухание пламени от понятия прекращение горения. Потухание пламени не всегда означает прекращение горения, которое, как известно, может продолжаться в беспламенном режиме (ге­терогенное горение или тление).

Задача достижения потухания пламени сводится к снижению температуры пламени до температуры потухания путем нарушения теплового ба­ланса процесса горения, что должно привести к тому, что энергии (тепла), выделяющейся в результате горения, не хватит для поддержания дальнейшего самопроизвольного горения (для подготовки горючего вещества к горению – разложению, испарению, а также для активации молекул). В общем случае для нарушения теплового баланса необходимо снизить скорость теп­ловыделения и/или увеличить скорость теплоотвода.

Другими словами, существуют два пути нарушения теплового баланса процесса горения (снижения температуры пламени):

1) снижение скорости тепловыделения (например, путем торможения химической реакции окисления с помощью изменения концентрации реаген­тов, введения химически активных ингибиторов и т. д.);

2) увеличение скорости теплоотвода из зоны горения (например, путем введения тонко распыленной воды в зону горения).

Снизить скорость тепловыделения можно физическим или химическим торможением реакции горения. Физическое торможение реакции горения достигают следующими способами: разбавлением воздуха, горящего веще­ства или его паров в зоне горения водой, порошками или негорючими газами; изоляцией зоны горения от горючих паров или кислорода воздуха; охлажде­нием горящего вещества огнетушащими веществами или перемешиванием (см. рис. 6.1).

Способ тушения перемешиванием применяют для жидкостей, хранящихся в ем­костях большим слоем и имеющих температуру вспышки несколько выше темпера­туры окружающей среды. Так, при температуре воздуха 20 ⁰С таким способом можно тушить жидкости, имеющие температуру вспышки 25 ⁰С и выше. К ним от­носятся осветительный и тракторный керосины, мазуты, дизельные топлива, нефти, скипидары, минеральные и растительные масла.

Рис. 6.1. Принципиаль­ная схема тушения пере­мешиванием с помощью: а) струй той же жидкости; б) воздуха

При перемешивании струей той же жидко­сти (рис. 6.1.а) насос А забирает холодную (не нагретую пламенем) жидкость и по­дает ее в тот же резервуар через трубу Б. Конец трубы направлен вверх, поэтому струя, вытекающая из нее, вызывает движение жидкости во всем резервуаре. Это движение приводит к тому, что холодные слои, перемешиваясь с нагретым верхним слоем, резко охлаждают его. Скорость испарения паров снижается и через 10-15 минут паров не хватает для продолжения горения, а следовательно, пожар ликвидирован. Для пода­чи воздуха (рис. 6.1.б) используется компрессор или баллонная установка, от кото­рой воздух по воздуховоду поступает к насадке, расположенной на дне резервуа­ра. Большое количество образовавшихся пузырьков поднимаются вверх, перемеши­вают холодные и нагретые слои, что приводит к резкому охлаждению последнего и прекращению горения.

Химического торможения реакции горения добиваются введением в зону горения или в горючее вещество хладонов (химически активных ингибиторов), огнетушащих порошков или продуктов горения твердотопливных аэрозолеобразующих составов (ТАОС). .

К увеличению скорости теплоотвода приводит повышение коэффициента теплопередачи, увеличение поверхности теплоотвода и снижение температуры окружающей среды. Повышения коэффициента теплопередачи добиваются, например, введением теплоемких и теплопроводных компонентов повышением черноты пламени и т. д. Снижения температуры окружающей среды можно достичь охлаждением зоны горения, изъятием источников зажигания (срывом пламени), перемешиванием и т. д. (см. рис. 6.2).

Нарушения теплового баланса и снижения температуры пламени до тем­пературы потухания на практике достигают чаще всего с помощью огнетушащих веществ (средств). Причем, практически все огнетушащие вещества реализуют сразу несколько способов снижения температуры пламени. Так, при тушении пожара распыленной водой происходит:

• отъем тепла из зоны горения на испарение воды (т. е. увеличивается скорость теплоотвода);

• разбавление горючих паров и кислорода воздуха (реагентов) водяным паром, что приводит к уменьшению скорости реакции (т. е. уменьша­ется скорость тепловыделения);

• охлаждается горючее вещество, что приводит к уменьшению скорости разложения (испарения) горючего вещества и уменьшению поступле­ния горючих паров в зону горения и уменьшению скорости реакции (т. е. уменьшается скорость тепловыделения вследствие физическо­го торможения реакции горения);

• изоляция водяной пленкой горючего вещества от зоны горения, что за­трудняет подвод горючих газов в зону горения и доступ кислорода в зону тления (т. е. уменьшается скорость тепловыделения вследст­вие физического торможения реакции горения).

Таким образом, главную роль в снижении температуры пламени играют не химические способы прекращения горения (химическая кинетика высокотемпературного окисления), а физические способы прекращения горения (внешние термодинамические условия, которые влияют на химическую кинетику).

Как отмечалось выше, необходимо различать понятия потухания пламени и прекращение горения. На пожаре недостаточно просто потушить пламя, необходимо прекратить горение во всех видах (в том числе и беспламенном) и создать условия, не допускающие возобновления горения. Различают условия прекращения горения, в зависимости от которых выбираются эффективные способы прекращения горения и огнетушащие средства.

Для прекращения горения газов таким условием будет снижение температуры ГВ ниже температуры потухания пламени t_плt^пот._пл. (т. е. в данном случае потухание пламени обеспечит и прекращение горения).

Для прекращения горения жидкостей таким условием будет снижение температуры поверхности жидкости ниже температуры вспышки t_{пов гж}  t_всп (для жидкостей с температурой вспышки более 28 ⁰С). Снижения температуры до температуры потухания пламени недостаточно, так как при такой температуре (1000⁰С) пары немедленно самовоспламенятся.

Рис. 6.2. Пути и некоторые способы снижения температуры пламени до температуры потухания

Для прекращения горения твердых горючих веществ нужно учитывать необходимость прекращения не только пламенного, но и беспламенного горения, что значительно труднее. Считается, что условием прекращения горения ТГВ является снижение температуры образца ниже температуры начала пиролиза (термического разложения – 200-250 ⁰С для разных веществ): t_{пов тгв}  t_{нач. пир}.

Выражение для критерия процесса тушения можно записать в следующем виде:

где q_отв ^кр – интенсивность теплоотвода, требуемая для прекращения го­рения;

q_выд – интенсивность тепловыделения при горении.

Расчеты показывают, что для случаев тушения пожаров, связанных с диффузи­онным горением газов и паров фонтанирующих жидкостей, методом охлаждения зоны горения = 0,1. Для тушения пожаров, связанных с диффузионным горением ЛВЖ, ГЖ и ТГМ, методом охлаждения горючего материала или вещества =0,2-0,4 и =0,3 соответственно.

Зная численное значение для всех видов горючих веществ и материалов можно рассчитать нормативные параметры пожаротушения – требуемый расход ог­нетушащих веществ, интенсивность их подачи, удельные расходы на единицу пло­щади тушения пожара и необходимые запасы огнетушащих веществ и т. д.