Прекращение горения твердых горючих материалов водой

Гомогенное (пламенное) горение твердых горючих материалов (ТГМ) обусловлено образованием горючих газов в результате термического разложения вещества – пиролиза.

Для гомогенного горения необходимо, чтобы скорость выделения газообразных продуктов пиролиза и приток воздуха были достаточны для образования над поверхностью материала горючей смеси, т. е. смеси, в которой концентрация горючего газа не ниже НКПРП.

Непрерывное поступление горючих паров и газов в зону горения поддерживается интенсивным тепловым потоком к поверхности ТГМ от собственного пламени и внешних источников.

Пиролиз некоторых ТГМ начинается после плавления и протекает в тонком поверхностном слое. Как правило, это линейные несшитые полимеры (полиметилметакрилат, полиэтилен, полистирол и другие термопласты). Такие материалы, подобно жидкости, выгорают без остатка. Горение ряда ТГМ сопровождается образованием углистого слоя. Это древесина, древесно-наполненные пластмассы, материалы на основе целлюлозы, сшитые полимерные материалы – реактопласты. Для них характерны два вида горения – гомогенное (пламенное) и гетерогенное (тление). Их соотношение зависит от интенсивности тепло- и газообмена у поверхности горения. В процессе горения углистый слой аккумулирует значительное количество тепла. Температура его поверхности достигает 600–700 °С, что является достаточным для зажигания горючих газовых смесей.

В результате для ТГМ снижение температуры горения до температуры потухания без охлаждения прогретого слоя является условием тушения необходимым, но недостаточным. Прогретый слой конденсированной фазы (твердого вещества или расплава) способен в течение некоторого времени поставлять нагретые продукты разложения в зону горения и являться источником их воспламенения. Поэтому при их тушении рассматривают еще одно достаточное условие – снижение температуры прогретого слоя до температуры начала пиролиза или плавления.

Наиболее эффективным способом тушения ТГМ любого типа является принудительное охлаждение непосредственно поверхности горения. Время прекращения горения определяется интенсивностью теплоотвода от поверхности и тепловой инерцией прогретого слоя.

Условие тушения ТГМ выполняется, если огнетушащее вещество подается на поверхность горения с такой интенсивностью, что за время тушения отбирает тепло, поступающее к поверхности, а также тепло, запасенное в прогретом слое за время горения:

Q_отв ≥ Q_треб = Q_пов + Q_зап, (25)

где Q_отв – тепло, отводимое огнетушащим веществом от 1 м² поверхности, кДж/м²;

Q_пов – тепло, поступающее к поверхности, кДж/м²;

Q_зап – удельное теплосодержание прогретого слоя, кДж/м²;

здесь

Q_пов = q_внτ_т, (26)

где q_вн – плотность суммарного теплового потока, падающего от собственного пламени и внешних источников излучения, кВт/м²;

τ_т – время тушения, с.

Если подаваемое огнетушащее вещество поступает к поверхности без потерь и полностью реализует свою охлаждающую способность, количество тепла, отбираемое за время τ_т от 1 м² поверхности горения Q_отв, будет равно

Q_отв = JQ_охлτ_т, (27)

где J – интенсивность подачи, л/(с·м²) или кг/(с∙м²);

τ_т – время подачи огнетушащего вещества, с.

Отсюда теоретическое, минимально возможное время тушения τ_т, с, по механизму отвода тепла от поверхности:

. (28)

При J = q_вн / Q_охл, т. е. когда подача огнетушащего вещества на поверхность компенсирует только внешние тепловые потоки, τ_т → ∞. Такая интенсивность подачи является критической J_кр.

При J → ∞ время тушения τ_т → 0. Однако минимальное время прекращения горения не может быть меньше времени охлаждения всего прогретого слояτ₀. Это физическое время определяется тепловой инерцией материала. Например, при охлаждении древесины водой оно составляет примерно 20 с.

Таким образом, теоретическое время прекращения горения τ_т, с, при тушении по поверхности определяется по формуле

(29)

Умножив обе части (29) на J, получим выражение для удельного расхода q_уд, с:

(30)

Из этого выражения следует, что зависимость q_уд от J может иметь экстремальную точку. Первое слагаемое данного выражения является гиперболой с асимптотами → ∞ при J → J_кр и → Q_зап/ Q_охл при J → ∞. Второе слагаемое представляет собой прямую = τ₀J, где τ₀ является тангенсом угла ее наклона. Таким образом, величина τ₀ определяет крутизну правой ветви графика q_уд = f(J). Чем меньше τ₀, тем более пологой является правая ветвь кривой.

При некотором значении J удельный расход огнетушащего вещества становится минимальным.

Оптимальной является интенсивность подачи, при которой обеспечиваетсяминимальный удельный расход огнетушащего, находится дифференцированием уравнения (30) по J. Приравняв первую производную dq_уд / dJ к нулю, получим выражение для оптимальной интенсивности подачи J_опт, л/(с·м²):

. (31)

Значение τ₀ определяется не только тепловой инерцией углистого слоя, но и доступностью поверхности горения для огнетушащего вещества. Если площадь орошения S_ор струей больше или равна площади горения S_п.г, значение τ₀ определяется условиями тепломассообмена капель воды с поверхностью. При S_ор<S_п.г (тушение изделий с развитой поверхностью) значение τ₀ должно быть пропорционально коэффициенту поверхности.