1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ

Горение происходит при балансе тепловыделения химической реакции в горючей системе и теплоотдачи в окружающую среду. В соответствии с этим согласно тепловой теорией потухания задача прекращение горения сводится к снижению температуры в зоне химической реакции ниже критического значения. Понижение температуры приводит к нарушению теплового равновесия в зоне горения.

Температура, ниже которой горение становится невозможным принято называть температурой потухания.

Изменить тепловое равновесие в зоне горения можно или снижением интенсивности тепловыделения в зоне реакции ниже предельного значения, или повышением интенсивности теплоотдачи, или одновременным снижением интенсивности тепловыделение и повышением интенсивности теплоотдачи пока температура в зоне реакции не снизится до критического значения – температуры потухания.

Нарушение термодинамического равновесия системы происходит при снижении температуры в зоне горения Т_пг на некоторую критическую величину D Т.

В работах Я.Б. Зельдовича определено максимально возможное снижение температуры диффузионного пламени, при превышении которого происходит потухание:

где     Т_ад - адиабатическая температура пламени; Е_акт - энергия активации; R – универсальная газовая постоянная.

Учитывая среднее значение теоретической температуры горения, около 2000-2500 К и среднее значение энергии активации органических веществ 125000 Дж/моль можно рассчитать, что для достижения температуры потухания нужно снизить температуру в зоне горения примерно на 20 %.

2. СПОСОБЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ

Для прекращения горения на пожаре необходимо применять средства, снижающие интенсивность тепловыделения в зоне реакции горения или увеличивающие теплоотдачу из этой зоны.

2.1 СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Одним из наиболее доступных способов прекращения горения является снижение температуры в зоне реакции и в окружающем пространстве.

Для отвода тепла в зону горения можно вводить вещества, имеющие низкую температуру, например азот, гелий или аргон в жидком состоянии (их температура кипения составляет -195.8, -268.9, -185.9 ⁰С, соответственно). Такое тушение принципиально возможно, но практически мало реализуемо.

Обычно, для отвода тепла на практике применяют вещества, имеющие большую теплоту фазового перехода, например, воду или твердый диоксид углерода. Вода, попадая в зону горения, нагревается и, испаряясь, отбирает значительное количество энергии. Твердый диоксид углерода образуется из жидкости при выходе через сопло огнетушителя и имеет температуру -73 ⁰С, что приводит к снижению температуры в зоне горения. В процессе испарения диоксида углерода в зоне горения дополнительно поглощается большое количество энергии.

2.2 ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ

При кинетическом горении газовоздушных систем концентрация горючего и окислителя в зоне реакции определяется условиями смесеобразования. Концентрация компонентов изменяется при изменении скорости поступления горючего, окислителя или инертных добавок в зону, в которой непосредственно происходит образование смеси.

При диффузионном горении концентрация компонентов горючей смеси в зоне реакции горения зависит от ряда условий таких как, содержание кислорода в воздухе, который поступает в зону реакции горения, и скорости поступления горючих паров или газов в эту зону. В связи с этим для снижения концентрации компонентов горючей смеси в зоне реакции можно применить два способа.

Первый - изменить состав воздуха, который поступает, в зону реакции горения, снизив в нем содержание кислорода до критического значения, или разбавить газообразные продукты, которые поступают в зону реакции, инертными добавками.

Такой метод прекращения горение получил название флегматизации или разбавления.

Второй - прекратить или уменьшить до критического значения количество окислителя, который поступает в зону реакции горения, или продуктов испарения горючего путем изоляции компонентов горючей смеси друг от друга или поверхности горючего от теплового влияния зоны горения.

Такой метод прекращения горения называется изоляцией.

2.3 УВЕЛИЧЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ В ЗОНЕ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ

Прекращение горения может быть достигнуто при увеличении интенсивности теплоотдачи из зоны реакции горения.

Увеличить теплоотдачу пламени можно путем введения в зону горения веществ, изменяющих цвет пламени делая его более ярким. (При условии одинаковой температуры в зоне горения, лучистый поток больше от пламени которое имеет цвет (в частности содержит продукты неполного сгорания). При этом возрастают теплозатраты на излучение. Соответствующая плотность теплового потока имеет величину

q_изл = ε_пр σ₀ Т_пг⁴,

где e _пр. - степень черноты пламени; s ₀ - постоянная Больцмана, 5,67*10^-8 Вт/(м² К⁴); Т_пг - температура пламени, К.

Увеличение лучистого потока приведет к нагреванию горючего и соответствующему увеличению испарения или выхода газообразных продуктов разложения. Последнее обстоятельство обычно приводит к росту тепловыделения, поэтому такой путь нарушения теплового баланса можно считать сугубо теоретическим. Существуют другие приемы увеличения теплоотдачи.

Увеличить теплоотдачу из зоны горения можно чисто механическим путем, например, внеся во фронт пламени огнетушащее вещество с большой теплоемкостью и (или) с развитой поверхностью теплопоглощения (это могут быть металлическая стружка, сетка и т.д.). Данный принцип прекращения горения используется в специальных устройствах – огнепреградителях, которые предотвращают распространение горения, например, в дыхательных устройствах резервуаров и газовых магистралях.

Теплоотдачу можно увеличить путем введения в пламя теплоемкого продукта с высокой степенью дисперсности, например огнетушащего порошка или обычного песка. Отметим, что при гашении пожаров порошками, механизм увеличения теплоотдачи работает, но не является доминирующим.

2.4 ХИМИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ

Увеличение энергии активации системы, до величин, при которых процесс горения прекращается, возможно при введении в систему веществ, связывающих инициирующие реакцию горения активные центры. В результате связывания активных центров увеличивается энергия активации и горение прекращается.

Вещества, которые способны связывать активные центры и тормозить реакцию горения называются ингибиторами горения, а прекращение горения путем введения ингибиторов называется химическим торможением реакции горение или ингибированием.

Таким образом, прекращение горения на пожаре может осуществляться следующими методами:

Методы прекращения горения на пожаре