Рис. 1. Схема "классического треугольника горения".
Пламенное горение на пожаре является диффузионным. Т.е. газооб­разное горючее непрерывно поступает в зону горения, смешивается с газо­образным окислителем и воспламеняется от источника зажигания. На по­жаре таким непрерывно действующим источником зажигания является са­мо пламя. Следовательно, ликвидация факела пламени означает исключе­ние из треугольника пожара одного угла - источника зажигания и является условием необходимым для прекращения горения. Однако выполнение только этого условия не всегда достаточно для тушения пожара. Так, при горении многих твердых материалов (древесностружечных плит, древеси­ны и т.д.) температура поверхности составляет 60(Н700°С, что вполне дос­таточно для зажигания выделяющихся газообразных продуктов пиролиза и в отсутствие пламени. В таких случаях достаточным условием для туше­ния пожара является прекращение поступления горючих газов в зону горе­ния, т.е. ликвидация еще одного угла треугольника пожара - горючего ве­щества.
Наиболее распространенной и наиболее научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пла­мени. Суть ее сводится к тому, что в результате нарушения теплового рав­новесия в зоне химических реакций горения при определенных условиях самопроизвольное и непрерывное протекание этих реакций становится не-

возможным и процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда температура в зоне горения снижается до некоторого критического значе­ния 7,кр=7,пл - AT. В результате анализа параметров горения предварительно неперемешанных газов в зависимости от интенсивности подачи горючих компонентов в зону реакции Я.Б. Зельдович получил максимально воз­можную величину снижения температуры пламени - АТт:

3RT
AT    *------- ^                                       (1)
ад       Е
где R - универсальная газовая постоянная, 8,32 кДж/моль:
Гид - адиабатная температура пламени, ~ 2300 К:
Е - энергия активации, Ш 126000 кДж/моль. Подставив численные значения входящих величин, получим критиче­скую температуру пламени или теоретическую температуру потухания:
Т      кТ    _J^Mи2300- 3• 8,32-529-104 кП50к
пот      ад        Е                      п6104
То есть адиабатная температура потухания пламени составляет около 1000°С.
Действительная температура пламени, даже при кинетическом горе­нии, значительно меньше Тт вследствие потерь тепла из зоны горения из­лучением. В диффузионных пламенах, которые наиболее часто встречают­ся в условиях горения на пожаре, доля тепловых потерь на излучение зна­чительно больше. Во-первых, потому, что у диффузионных пламен выше светимость, из-за наличия в них твердых частиц углерода (сажи), которые не успевают сгорать до СО и С02 из-за недостатка кислорода. Во-вторых, диффузионные пламена имеют более протяженную зону реакции и, соот­ветственно, большую поверхность излучения и меньшую интенсивность тепловыделения в расчете на единицу объема. Строго говоря, для диффу­зионных пламен тепловая теория потухания вообще несправедлива, так как

в этом случае скорость химических реакций в зоне горения зависит не только от температуры, но и от скорости диффузии горючих компонентов в зону реакции. В-третьих, при диффузионном горении на величину тепло­вых потерь от факела пламени существенно влияет конвективный тепло­обмен с окружающим пространством. В сумме эти потери для диффузион­ных пламен составляют около 40%, от всего тепла, выделяющегося в зоне горения.
Тем не менее, тепловая теория потухания даже в существенно упро­щенном виде дает удобный инструмент для физического обоснования спо­собов и средств прекращения горения на пожаре.
Согласно тепловой теории потухания задача прекращения пламенного горения сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания. Это достигается путем нарушения теплового рав­новесия в зоне протекания химических реакций горения, т.е. нарушения баланса процессов тепловыделения и теплоотвода.
Аналитически зависимость интенсивности тепловыделения в единице объема (q+) от вида горючего, состава горючей смеси и температуры опи­сывается уравнением вида:

где: QHнизшая теплота сгорания горючего;
к0 -предэкспоненциальный множитель;
фг и фок - концентрация горючего и окислителя соответственно;
пит- порядок реакции по горючему и окислителю, соответственно;
Е - энергия активации;
R- универсальная газовая постоянная;
Т - температура. Интенсивность процесса теплоотвода от фронта пламени (q~) излуче­нием и конвекцией в расчете на единицу объема описывается уравнением:

?"=ea-(TjLI-7'2) + a-(7'    -T )
I/                            у     пл       о'
где: £ - степень черноты пламени; о - константа Стефана-Больцмана; 5 - площадь поверхности теплообмена; а- коэффициент теплопередачи; V- объем зоны горения. Используя понятие приведенного коэффициента теплопередачи, урав нение (3) можно переписать в виде:
S

¦ а    -(Т    -Г )
пр у v  пл       о
где: СЦ, - приведенный коэффициент теплопередачи.
Графики зависимостей q+и q~ от температуры показаны на рис. 2.
Проекция точки пересечения графиков (т.1) на ось абсцисс соответст­вует температуре диффузионного пламени Тг. Очевидно, что в этой точке q+= qи процесс горения является устойчивым.

тт
Рис. 2. Зависимость интенсивности тепловыделения и теплоотво­да в зоне горения от температуры.
Рассмотрим причину устойчивости. Допустим, что в силу каких-либо причин температура понизилась до Т\, а законы тепловыделения и тепло­отвода не изменились (т.е. взаимное расположение графиков qи q~ оста-

лось прежним). Из рис. 2 видно, что в этом случае интенсивность тепловы­деления станет больше интенсивности теплоотвода. Следовательно, систе­ма будет нагреваться более интенсивно, чем охлаждаться, и температура ее вернется к значению Гг. Если, например, по инерции, температура повы­сится до Т2, интенсивность охлаждения (q~) станет больше интенсивности тепловыделения (q+). Соответственно температура начнет понижаться, и система вновь самопроизвольно вернется в т.1.
Из всего сказанного следует, что для прекращения процесса горения недостаточно изменить только температуру, необходимо изменить пара­метры процессов тепловыделения и (или) теплоотвода.
Например, изменим интенсивность теплоотвода из зоны горения пу­тем увеличения коэффициента теплопередачи а или отношения S/V. Гра­фически это выразится в увеличении угла наклона прямой. Если степень изменения такова, что в итоге система перейдет в состояние, показанное на рис. 3, любое незначительное изменение температуры приведет к тому, что интенсивность теплоотвода станет больше интенсивности тепловыделения, т.е. процесс горения станет невозможным. Температура, соответствующая т.2, и является температурой потухания.

Рис. 3. Схема достижения температуры потухания увеличением ин­тенсивности теплоотвода в зоне горения.
Перевести систему в состояние, характеризуемое т.2, можно также путем воздействия на химическую реакцию горения, т.е. снижением ин­тенсивности тепловыделения (рис. 4).
Строго говоря, невозможно изменить интенсивность только одного из двух рассмотренных процессов, не затрагивая другой. При любом внеш­нем воздействии, в частности, при тушении пламени огнетушащими веще­ствами, интенсивности обоих процессов меняются одновременно. Однако степень изменения зависит от преобладающего механизма действия кон­кретного огнетушащего вещества. Это позволяет при иллюстрации тепло­вой теории считать данные процессы независимыми друг от друга (разуме­ется, весьма условно).

Рис. 4. Схема достижения температуры потухания уменьшением ин­тенсивности тепловыделения в зоне горения.

Необходимо отметить, что все эти рассуждения дают чисто качест­венное представление о механизме тушения пламени. Однако этого доста­точно для анализа различных способов прекращения горения на пожаре и механизмов действия различных огнетушащих веществ.
2. Физико-химические способы прекращения горения на пожаре
Физико-химические способы воздействия на qид' вытекают из ана­лиза уравнений, которые описывают процессы тепловыделения и теплоот-вода. Действительно, среди тех параметров, которые определяют интен­сивность тепловыделения (см. уравнение 2) мы можем эффективно влиять на концентрации реагирующих веществ фг и <рок, а также на к0 и Е. Реально повлиять на интенсивность теплоотвода можно путем увеличения коэффи­циента теплопередачи, удельной поверхности теплообмена, а также степе­ни черноты пламени (см. уравнение 3).
Рассмотренные нами механизмы прекращения горения путем наруше­ния теплового баланса в зоне горения, приводящего к снижению темпера-

•»s>

туры в этой зоне до температуры потухания, можно представить в виде схемы, показанной на рис. 5.

в
Рис. 5. Способы прекращения пламенного горения В этой схеме предусмотрены некоторые весьма эффективные меха­низмы прекращения горения, которые, к сожалению, трудно реализовать на практике при тушении большинства характерных (ординарных) пожа­ров. Это - прекращение горения внезапным снижением давления в зоне

реаюищ резкая интенсификация теплоотвода повышением коэффициента черноты излучающих сред в зоне реакции; изъятие, внезапное физическое отделение, всех источников поджигания горючей смеси в зоне реакции. Но в некоторых частных случаях каждый из них может быть применен. Разбе­рем их более подробно.
Скорость химической реакции, определяющая в реакциях горения ин­тенсивность тепловыделения в зоне реакций, зависит от числа эффектив­ных соударений молекул горючего с молекулами окислителя. А количест­во соударений прямопропорционально количеству самих молекул в еди­нице объема зоны реакции.
В физике горения известны не только концентрационные пределы го­рения, но и пределы горения по давлению. Для большинства углеводород­ных горючих веществ нижний предел близок к ЮкПа. В специальных ус­ловиях удается поддерживать горение и при значительно более низких давлениях, почти до 0,1кПа. Для прекращения диффузионного горения, какое бывает при пожарах, вполне достаточным было бы понижение дав­ления даже на 0,04-Ю,05 кПа. При таком разрежении интенсивность тепло­выделения резко снизится, температура в зоне реакции понизится до Тпот и горение прекратится. Таким способом можно прекратить горение в неко­торых технологических установках и аппаратах, а также при пожарах в пи­лотских кабинах самолетов, в кабинах космических кораблей и на орби­тальных станциях.
При горении некоторых веществ (например, водорода, магния) темпе­ратура пламени очень высока и, в соответствии с законом Стефана-Больцмана, количество отводимого из зоны горения тепла должно быть очень велико. Однако пламена этих веществ, как правило, бесцветны и их коэффициент черноты очень низок. Поэтому теплопотери излучением из зоны реакции не так велики, как могли бы быть. Введение специальных

добавок в пламя, которые повысили бы ее излучающую способность, при­вело бы к резкому увеличению интенсивности теплоотвода из зоны реак­ции, что в свою очередь привело бы к быстрому прекращению процесса горения. Однако эти методы прекращения горения представляют собой редкие частные случаи, на которых мы для краткости останавливаться не будем, равно как и на механизме внезапного отделения источников вос­пламенения от зоны горения.
Наиболее естественным и «прямым» способом прекращения горения является снижение интенсивности тепловыделения. Как мы уже видели, это можно сделать только двумя путями: изменением концентраций реаги­рующих компонентов фг и фок или изменением к0 и Е.
Способы изменения состава смеси в зоне протекания реакций горения, как правило, сводятся к прекращению доступа в эту зону горючего. Про­стейшие из них заключаются в перекрывании вентилей на трубопроводах горючего газа или закрывании емкостей небольших размеров металличе­ским листом и т.п. Однако реализовать его на практике удается лишь в сравнительно редких случаях. Одним из частных способов прекращения доступа горючего в зону горения, который осуществляется одними техни­ческими средствами, без применения огнетушащих веществ является ту­шение пожаров на резервуарах с горючей жидкостью, методом ее переме­шивания. Он сводится к следующему.
Как известно, при горении жидкостей со свободной поверхности, го­рючее в зону горения поступает за счет испарения его из верхних, горячих слоев. В нижних слоях температура ниже, чем в поверхностном слое. Ин­тенсивным механическим перемешиванием можно добиться того, что во­преки законам естественной конвекции, на поверхность поступят холод­ные нижние слои. По мере понижения температуры жидкости в поверхно­стном слое, концентрация горючего в зоне горения уменьшается, интен-

сивность тепловыделения q падает, снижается и температура пламени. В свою очередь это приводит к снижению интенсивности теплового потока •. от факела пламени к зеркалу жидкости. Это еще больше уменьшает интен­сивность парообразования и приводит к дальнейшему разбавлению, обед­нению горючим зоны реакции. Когда в результате всех этих взаимосвязан­ных процессов температура в зоне реакции понизится до температуры по­тухания, пламенное горение прекратится.
Такой способ прекращения горения может быть достаточно эффекти­вен при тушении резервуаров с нефтепродуктами, если начальная (до по­жара) температура жидкости ниже температуры воспламенения. Он был предложен еще в 1903 г. русским инженером А.Г. Лораном. Большие тео­ретические и экспериментальные исследования были проведены в 50-х го­дах XX века. Их результаты обобщены в монографии В.И. Блинова и Г.Н. Худякова. Основные параметры для расчета установок тушения резервуа­ров с нефтепродуктами методом перемешивания приведены в работе [1].
В принципе, возможно тушение пламени и переобогащением горючей смеси в зоне реакции, т.е. более интенсивной подачей горючего в зону ре­акции горения. Но так как на пожарах, как правило, доступ окислителя в зону реакции горения очень велик и трудно регулируем, то увеличение ин­тенсивности подачи горючего не приведет к переобогащению смеси и ту­шению пожара, а наоборот, интенсифицирует процесс горения за счет уве­личения размеров факела пламени. Переобогащением возможно тушение пламени лишь в замкнутых объемах с сильно ограниченным доступом воз­духа. В тех случаях, когда снижать интенсивность подачи воздуха в зону горения удается, этим пользуются, раньше при тушении пожаров в подва­лах, туннелях, шахтах, трюмах и т.п. Это приводит к обеднению зоны го­рения окислителем (или относительному переобогащению ее горючим), интенсивность горения снижается и пламя гаснет. Все это объясняется тем,

что скорость реакции (а стало быть, и интенсивность тепловыделения, и температура пламени, и скорость распространения пламени) имеет макси­мальное значение лишь в области стехиометрических концентраций. Они уменьшаются как при обедненц%, так и при обогащении смеси.
При достижении предельных значений на верхнем или нижнем преде­ле температура в зоне протекания реакции горения понижается до темпе­ратуры потухания пламени и горение прекращается.
Необходимо отметить, что на практике тушение переобогащением чревато объемной вспышкой (взрывом) т.к. при последующем обязатель­ном вентилировании помещения смесь снова проваливается в область вос­пламенения.
Все другие способы тушения пламени, по какому бы механизму пре­кращения процесса горения они не осуществлялись, так или иначе связаны с применением специальных огнетушащих веществ.
3. Классификация огнетушащих веществ. Условия необходимые и достаточные для прекращения горения.
Каждое вещество, примебняемое для прекращения горения, обладает набором механизмов огнетушащего действия. При этом какой-то один ме­ханизм является доминирующим. Традиционно, огнетушащие вещества делят на охлаждающие, изолирующие, разбавляющие, ингибирующие. Эта классификация сложилась в те времена, когда для тушения пожаров при­менялись в основном вода, пены, диоксид углерода и несколько хладонов (фреонов). В нее не вписываются современные огнетушащие вещества, та­кие как порошковые и аэрозолеобразующие составы, перегретая вода.
Действие любого огнетушащего вещества сводится, прямо или кос­венно, к понижению температуры пламени до температуры потухания, т.е. к охлаждению зоны горения. При этом одни из них воздействуют главным образом на процессы, протекающие непосредственно в объеме зоны горе-

г

ния и практически не затрагивают поверхность конденсированного горю­чего. Это вещества, применяемые в газо- и парообразном состоянии (него­рючие газы, химически активные ингибиторы), аэрозоли и т.д. Другие ока­зывают косвенное воздействие на процессы, протекающие в газовой фазе. С их помощью уменьшают выход горючих газов путем охлаждения по­верхности горючего или ее изолирования от зоны горения. Кроме того, не­которые огнетушащие вещества способны работать одновременно в газо­вой фазе и на поверхности горючего. Например, распыленная вода в зави­симости от размера капель может: полностью испаряться в пламени, ока­зывая чисто объемное действие; частично испаряется в пламени, оказывая и объемное и поверхностное действие; практически не взаимодействовать с пламенем, оказывая чисто поверхностное действие.
Выбор огнетушащих веществ и способов их подачи зависит от того, какие условия необходимы и достаточны для прекращения горения данно­го вида горючего вещества, в данных условиях пожара.
Как правило, на пожаре приходится иметь дело с газообразными, жидкими и твердыми горючими веществами. Их обозначают как очаги класса С, В и А соответственно.
Так, для прекращения горения газов необходимо и достаточно ото­брать тепло непосредственно от зоны горения так, чтобы температура фа­кела понизилась до температуры потухания. Охлаждать исходное горючее или окислитель, в данном случае, бесполезно т.к. газы воспламеняются и горят при любой реально достижимой температуре. При этом механизмы отбора тепла в объеме пламени зависят от применяемого огнетушащего вещества. Подавать огнетушащие вещества в зону горения можно различ­ными техническими средствами как извне, так и вместе с потоком горюче­го или окислителя. Например, на тушение газового фонтана воду можно подавать извне лафетными стволами, автомобилями газоводяного туше-

ния, а также закачкой внутрь фонтанирующей скважины. Существуют технические средства подачи в горящий газовый фонтан химически актив­ных ингибитров, негорючих газов. Наиболее эффективным способом ту­шения пламени газового фонтана является импульсная (залповая) подача огнетушащего порошка в объем зоны горения.
Необходимым условием для тушения жидкости также является прекращение горения в газовой фазе. Если удается создать условия, тре­буемые для потухания пламени во всем объеме зоны горения одновремен­но, то, при отсутствии внешних источников зажигания и температуре ок­ружающей среды ниже температуры самовоспламенения, этого будет так­же и достаточно для тушения пожара. Это достигается подачей огнетуша­щих веществ объемного или объемно-поверхностного действия (газовых или порошковых составов) различными техническими средствами либо непосредственно в зону горения, либо в объем помещения (газовых или аэрозолеобразующих составов).
Вместе с тем, прекратить горение жидкости можно уменьшая ско­рость испарения путем отвода тепла не от пламени, а от поверхностного слоя. По мере уменьшения концентрации горючего в зоне горения темпе­ратура пламени понижается. Если температуру поверхности понизить до температуры вспышки, концентрация горючего над поверхностью упадет до нижнего концентрационного предела, температура пламени достигнет температуры потухания и горение прекратится. Это условие является дос­таточным для тушения жидкостей.
Сравнение интенсивностей теплоотвода, требуемых для понижения температуры пламени жидкости до температуры потухания при разных способах подачи огнетушащего вещества, показывает, что жидкость энер­гетически более выгодно тушить охлаждением поверхностного слоя. На­пример, интенсивность теплоотвода, требуемая для охлаждения поверхно-

сти гептана с температуры кипения (98°С) до температуры вспышки (¦ 4°С) в 10 раз меньше, чем интенсивность теплоотвода, необходимая для дости- ¦ жения температуры потухания в зоне горения.
При этом выбор конкретного огнетушащего вещества зависит от его способности выполнить все условия необходимые и достаточные для пре­кращения горения. Например, очевидно, что понизить температуру гептана до -4°С водой физически не возможно. Для этой цели, в данном случае, подходят жидкий азот, твердая углекислота или другие огнетушащие ве­щества с температурой кипения ниже -4 °С. Если по каким-то причинам они не доступны, следует изолировать поверхность жидкости от зоны го­рения слоем пены или огнетушащего порошка. При этом сначала умень­шается скорость испарения, что приводит к понижению температуры пла­мени до температуры потухания в результате уменьшения концентрации горючего фг (см. уравнение 2). Затем выход пара прекращается и на какое-то время повторное воспламенение жидкости становится невозможным.
Для тушения твердых горючих материалов (ТГМ) необходимым условием также является ликвидация факела пламени. Однако, при горе­нии ТГМ, как правило, образуется прогретый слой значительной толщины. В этом слое накапливается тепло, запас которого может быть достаточен для продолжения выделения газов со скоростью, необходимой для образо­вания над поверхностью горючей смеси после ликвидации пламени. В от­личие от жидкостей, температура поверхности ТГМ обычно достигает 600 - 700°С, что является достаточным для зажигания газового потока. Поэто­му для прекращения горения ТГМ достаточным условием, в общем случае, является охлаждение прогретого слоя до температуры ниже температуры пиролиза. Следовательно, для тушения пожаров твердых горючих мате­риалов обязательным является применение огнетушащих веществ поверх­ностного действия. При этом подача огнетушащих веществ должна быть

так организована, чтобы площадь воздействия на поверхность горения бы­ла максимальной.
4. Параметры процесса тушения
К основным параметрам процесса тушения относятся: интенсивность подачи J, удельный расход огнетушащего вещества vya и время тушения хТ. Интенсивностью подачи называется количество огнетушащего вещества, подаваемого в единицу времени на единицу площади пожара или объема помещения. В зависимости от вида огнетушащего вещества и способа тушения интенсивность подачи может иметь размерность: л/(м2-с), кг/(м -с), л/(м3-с), кг/(м3-с). Удельным расходом называется ко­личество огнетушащего вещества, поданное за время тушения в рас­чете на единицу площади пожара или объема помещения. Соответст­венно, этот параметр может иметь размерности: л/м , кг/м , л/м , кг/м . Временем тушения называется период от начала подачи огнетуша­щего вещества до прекращения горения во всех его видах.
Интенсивность подачи определяет интенсивность отвода тепла от зоны горения. Чем больше интенсивность отвода тепла превалирует над интенсивностью тепловыделения в зоне горения, тем быстрее прекраща­ется процесс горения, т.е. тем меньше время тушения. Если интенсивно­сти отвода и выделения тепла равны, время тушения равно бесконечности. На практике это означает, что процесс тушения будет продолжаться до тех пор, пока не выгорит все горючее или не кончится запас огнетушаще­го вещества. Такая интенсивность подачи называется критической JKp. Удельный расход зависит от интенсивности и времени подачи огнетуша­щего вещества: vyn = JxT. Характерные зависимости тт и vya от J показаны на рис. 6. График зависимости тт от интенсивности подачи огнетушащего вещества называется "кривая тушения".

'

Интенсивность подачи