Materiały Do Wykładu "środki Gaśnicze" Dla Usm 19

Transcript

Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 1. Możliwości gaśniczego oddziaływania na procesy spalania 1.1. Procesy w fazie gazowej – reakcje łańcuchowe Spalanie gazów i par cieczy w powietrzu nie zachodzi w na drodze bezpośredniego zderzania się cząsteczek paliwa i utleniacza, ale w sposób pośredni. Przykładem może być spalanie wodoru w tlenie, które nie polega na bezpośredniej reakcji H2 i O2, ale jest wynikiem wielu reakcji pośrednich z udziałem wolnych rodników H, O oraz OH. Najważniejszą reakcją w łańcuchu prowadzącym do powstania produktu końcowego – wody, jest reakcja H + O2 → OH + O W powyższej reakcji, pojedynczy atom H , wytworzony przez źródło zapłonu, może reagować ze stabilną cząsteczką O2, tworząc dwa bardzo reaktywne obiekty, OH oraz O. Rodnik hydroksylowy, OH, bardzo szybko reaguje z H2 : OH + H2 → H2O + H W tej reakcji OH jest zużywany, ale tworzy się atom H, który podtrzymuje łańcuch reakcji. W tym samym czasie, atom O wytworzony w pierwszej reakcji reaguje szybko z H2 tworząc dwa dodatkowe przenośniki łańcucha: O + H2 → OH + H W ten sposób pojedynczy atom H, wprowadzony do mieszaniny wodoru i tlenu przy podwyższonej temperaturze, w wyniku serii bardzo szybkich reakcji (zachodzących w ułamku milisekundy) powoduje utworzenie cząsteczek wody i nowych wolnych atomów H. Każdy z tych nowych atomów H natychmiast rozpoczyna nową serię reakcji i następuje rozgałęziona reakcja łańcuchowa. Po wyczerpaniu reagentów, pozostałe rodniki O, H oraz OH rekombinują według reakcji: H + O → OH Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 H + OH → H2O W ten sposób następuje zakończenie łańcucha reakcji prowadzących od substratów do produktu końcowego 1.2. Przebieg spalania wodoru Źródło zapłonu (np. iskra elektryczna) powoduje rozerwanie wiązań w cząsteczce H2 i powstanie wolnych atomów H, które następnie reagują ze stabilnymi cząsteczkami tlenu: Każdy wolny rodnik wodorowy (wolny atom wodoru) wprowadzony do mieszaniny wodoru z tlenem powoduje serię bardzo szybkich reakcji chemicznych prowadzących do powstania dwóch cząsteczek wody, czyli produktu końcowego reakcji wodoru z tlenem, oraz trzech nowych wolnych atomów H, z których każdy może natychmiast zapoczątkować nowy łańcuch reakcji. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 1.3. Przebieg spalania metanu W przypadku spalania metanu także bardzo ważny jest etap rozgałęziania, czyli reakcja H + O2 → OH + O, ale seria reakcji prowadząca do końcowych produktów jest znacznie bardziej złożona. Około 100 pojedynczych reakcji pośrednich uważa się za ważne. Poniżej przedstawiono kilka najważniejszych etapów reakcji spalania metanu: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Przed powstaniem CO2 musi powstać stabilny produkt pośredni CO. Jeśli gazy w płomieniu ochłodzą się przed całkowitą przemianą CO w CO2 na drodze utlenienia przez OH, w produktach spalania pojawi się CO, nawet przy pełnym dostępie powietrza z otoczenia. 1.4. Powstawanie sadzy przy spalaniu węglowodorów Przy dyfuzyjnym spalaniu substancji zawierających węgiel, cząsteczki paliwa mogą ulegać dekompozycji termicznej przed dotarciem do strefy utleniania. Zachodzi szereg reakcji prowadzących do powstania coraz większych cząsteczek i utworzenia aromatycznych węglowodorów policyklicznych, prekursorów cząstek sadzy: Reakcje prowadzące do powstawania sadzy przy dyfuzyjnym spalaniu metanu przedstawiono poniżej: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 1.5. Oddziaływanie na przebieg procesów wolnorodnikowych Ogólna szybkość reakcji spalania może być duża tylko przy odpowiednio dużym stężeniu wolnych rodników. Wymaga to utrzymywania odpowiednio wysokiej temperatury środowiska reakcji. Obniżenie temperatury gazowego środowiska reakcji zmniejsza szybkość reakcji wolnorodnikowych, w tym szczególnie istotnej reakcji rozgałęziania łańcucha: H + O2 → OH + O, co powoduje zmniejszenie ilości dostępnych wolnych rodników. Na szybkość reakcji rozgałęziania można wpływać także poprzez zmniejszenie stężenia jej substratów, czyli H i O2. Możliwości bardzo szybkiego znacznego zmniejszenia stężenia tlenu są jednak ograniczone, natomiast można doprowadzić do szybkiego ograniczenia ilości wolnych rodników przez wprowadzenie do płomienia inhibitorów spalania. Przykładem mogą być tu halony zawierające brom, proszki gaśnicze i aerozole gaszące. Wprowadzony do płomienia bromotrifluorometan (CF3Br, halon 1301) szybko reaguje z wolnymi rodnikami według następującego schematu: CF3Br + H → CF3 + HBr H + Br → H2 + Br Br + H + M → HBr + M Cząsteczka halonu reaguje z wolnym rodnikiem tworząc bromowodór, który reaguje z następnym wolnym rodnikiem wytwarzając nieaktywną cząsteczkę i atom bromu. Atom bromu reaguje znów z wolnym rodnikiem odtwarzając cząsteczkę bromowodoru. W ten sposób jedna cząsteczka CF3Br zapoczątkowuje łańcuch reakcji prowadzący do przekształcenia w nieaktywne cząsteczki wielu tysięcy wolnych rodników. Bromowodór powstający po wprowadzeniu halonu zawierającego brom do płomienia jest więc katalizatorem rekombinacji wolnych rodników. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 W chwili obecnej halony zostały praktycznie wycofane z ochrony przeciwpożarowej ze względu na stwierdzone działanie niszczące ozon stratosferyczny. W stratosferze zachodzi fotodysocjacja halonu: CF3Br → CF3 + Br Powstałe atomy bromu reagują z ozonem: Br + O3 → BrO + O2. BrO reagując z następną cząsteczką ozonu odtwarza się i łańcuch reakcji może rozpocząć się od nowa: BrO + O3 → Br + 2O2. Ryzyko niszczenia ozonu stratosferycznego przez halony gaśnicze zawierające chlor lub brom wzrasta w wyniku ich bardzo długiego czasu życia w atmosferze, co znacznie zwiększa prawdopodobieństwo dotarcia do stratosfery. Takiego ryzyka nie niesie ze sobą zastosowanie innych chemicznych inhibitorów procesów spalania płomieniowego – proszków i aerozoli. 1.6. Oddziaływanie na przebieg procesów wymiany ciepła Jeżeli proces spalania jest ustalony (szybkość wydzielania się ciepła i temperatura produktów spalania nie zmienia się w czasie), dla jednostki objętości płomienia i jednostki czasu można dokonać bilansu ciepła: ciepło wytworzone w reakcjach spalania + ciepło wniesione z reagentami Przy ustalonym procesie spalania = ciepło odprowadz one z produktami + ciepło wypromienio wane i przekazane do paliwa szybkość wydzielania się ciepła i jego odprowadzania z płomienia równoważą się. Dla wycinka płomienia o objętości ∆V ograniczonego powierzchnią ∆S strumień ciepła wydzielającego się jako Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 wynik reakcji spalania qwy można zapisać jako iloczyn objętościowego efektu cieplnego spalania, objętości wycinka i ogólnej szybkości reakcji spalania : q wy = Qspal ⋅ ∆V ⋅ f (c pal , cO 2 ) ⋅ e − EA R⋅T Wydzielone ciepło jest odprowadzane przez powierzchnię ∆S na drodze przewodzenia i promieniowania. Strumień ciepła odprowadzanego można ogólnie zapisać jako: [ ( ] ) qod = ∆S ⋅ ε ⋅ σ T 4 − Tot4 + k (T − Tot ) T i Tot oznaczają temperatury odpowiednio spalania i otoczenia płomienia, ε współczynnik emisyjności, σ – stała Stefana-Boltzmana, k – współczynnik przenikania ciepła. Strumień ciepła odprowadzanego do otoczenia zależy więc nieliniowo od temperatury. Wprowadzając zastępczy współczynnik przenoszenia ciepła K, obejmujący wszystkie mechanizmy wymiany, można przedstawić strumień odprowadzany jako funkcję liniową: 1 qod = ∆S ⋅ K ⋅ (T − Tot ) Analizę zależności qwy i qod od temperatury przedstawić można w formie graficznej. Na wykresie zależności strumieni ciepła od temperatury stabilnym warunkom spalania odpowiada taki punkt przecięcia linii qwy i qod, dla którego przy niewielkich odchyleniach temperatury układ samoczynnie powraca do stanu równowagi. Jeżeli w punkcie Tsp1 obniżymy temperaturę o niewielką wartość ∆T, w nowej temperaturze T – ∆T strumień ciepła spalania jest większy niż strumień ciepła odprowadzanego do otoczenia i układ powraca do stanu równowagi. Jeżeli zwiększone odprowadzanie ciepła utrzymuje się, ustala się nowa, nieco niższa temperatura równowagi. Zwiększanie szybkości odprowadzania ciepła, na przykład przez działanie na płomień rozproszonymi prądami wody, może spowodować zgaszenie dopiero po obniżeniu temperatury spalania do takiej wartości, przy której dla każdego dalszego obniżenia Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 temperatury strumień ciepła spalania będzie zawsze mniejszy od strumienia ciepła odprowadzanego. Taką temperaturę układu określa się jako temperaturę krytyczną spalania lub minimalną temperaturę propagacji płomienia. Na wykresie odpowiada do krzywej qod kr. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Szybkość podawania środka gaśniczego, przy której temperatura spalania spada do temperatury krytycznej nazywamy krytyczną szybkością podawania, a w przeliczeniu na powierzchnię pożaru – krytyczną intensywnością podawania. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Zgaszenie pożaru wymaga obniżenia temperatury poniżej temperatury krytycznej, którą można oszacować dla spalania większości substancji organicznych w powietrzu, jeśli przyjmie się szereg upraszczających założeń dotyczących: minimalnego efektu cieplnego potrzebnego dla rozprzestrzeniania się płomienia w powietrzu, średniej pojemności cieplnej produktów spalania oraz udziału promieniowania w bilansie ciepła, jak to przedstawiono powyżej. Oszacowanie minimalnego objętościowego efektu spalania na podstawie dolnych granic wybuchowości daje wartości zbliżone do siebie, można więc Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 przyjąć, że (w pewnym oczywiści przybliżeniu) krytyczne temperatury spalania są takie same dla większości materiałów palnych. Na ogół przyjmuję się wartość 1300 K (1000 o C). Jeśli nie uwzględniać strat ciepła płomienia na promieniowanie, otrzymujemy wartość 1600 K. Obniżenie temperatury spalania do wartości krytycznej jest możliwe także na drodze zmniejszenia szybkości wytwarzania ciepła w płomieniu przy takiej samej szybkości odprowadzania ciepła. Na wykresie q – T odpowiada to przesunięciu krzywej qwy w prawo przy nie zmienionym położeniu qod: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Czas gaszenia przy szybkości podawania środka gaśniczego równej krytycznej szybkości podawania byłby nieskończony (ograniczony oczywiście ilością materiałów palnych). Podawanie środka gaśniczego z krytyczną szybkością oznacza więc dopiero kontrolowanie pożaru. Zgaszenie pożaru w skończonym czasie wymaga szybkości podawania większych od krytycznej wartości dla danego pożaru. Niezależnie od tego, czy działanie gaśnicze polega na zmniejszeniu szybkości wytwarzania ciepła przez pożar, czy na zwiększaniu szybkości odbierania ciepła, każdemu działaniu gaśniczemu można przypisać określony efekt gaśniczy wyrażany w jednostkach strumienia cieplnego (kW, MW). Możliwość uzyskania kontroli lub zgaszenia pożaru przy gaszeniu przy użyciu danego środka gaśniczego podawanego z określoną szybkością zależy od przebiegu zależności strumień ciepła – czas dla danego przypadku oraz czasu podjęcia działań. 1.7. Oddziaływanie na gazowe środowisko spalania Na szybkość rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninie gazów wpływają, poza rodzajem i stężeniem gazowego paliwa, stężeniem utleniacza i temperaturą, także parametry fizykochemiczne ośrodka gazowego. Jeśli płomień rozprzestrzenia się w jednorodnej mieszaninie gazu palnego (lub par cieczy) z powietrzem, można założyć, że przed frontem płomienia znajduje się nie spalona mieszanina, za frontem płomienia – produkty spalania, a prawie cały wzrost temperatury gazu od początkowej temperatury mieszaniny To do temperatury spalania Tsp zachodzi w cienkiej warstewce o grubości s. Przykładem może być płomień kinetyczny palnika gazowego, gdzie strefa spalania jest nieruchoma, ponieważ mieszanina gaz powietrze napływa z szybkością równą szybkości spalania. Profil temperatury w mieszaninie gazowej przedstawia rysunek: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Z jednostki powierzchni strefy spalania (frontu płomienia) do świeżej mieszaniny przekazywany jest przez przewodzenie strumień ciepła qprzew: q przew = λ ⋅ (Tsp − To ) s Ciepło to jest zużywane na nagrzewania świeżej mieszaniny napływajacej z szybkością u do temperatury spalania. Jeśli gęstość mieszaniny wynosi ρ, a ciepło właściwe cp, strumień ciepła odbierany przez mieszaninę wynosi: qodb = u ⋅ c p ⋅ ρ ⋅ (Tsp − To ) Wynika z tego, że szybkość spalania można dla tego modelu przedstawić jako: u= λ ρ ⋅cp ⋅ s Szybkość spalania jest tym większa, im większy jest współczynnik dyfuzyjności cieplnej (wyrównywania temperatur) a: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 a= λ ρ ⋅cp Ciepło wydzielane w reakcji spalania jest podczas rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninie gazowej zużywane do nagrzewania świeżej mieszaniny i częściowo rozpraszane w otoczeniu. Od parametrów mieszaniny zależy „wykorzystanie” ciepła reakcji spalania do podniesienia jej temperatury. W przypadku większego ciepła właściwego mieszaniny (np. po wprowadzeniu gazu gaśniczego) ta sama ilość ciepła spowoduje mniejszy przyrost temperatury. 2. Działanie gaśnicze stosowanych obecnie środków gaśniczych 2.1.Wymagania stawiane nowoczesnym środkom gaśniczym Wymagania stawiane nowoczesnym środkom gaśniczym przez normy branżowe oraz względy ekologiczne można w skrócie przedstawić następująco: • duża skuteczność gaśnicza w stosunku do określonych grup pożarów • możliwość zastosowania przy użyciu typowego sprzętu • możliwość długiego przechowywania bez pogorszenia właściwości (odporność na starzenie) • brak działania toksycznego i ekotoksycznego oraz bioakumulacji • łatwa asymilacja w środowisku, jeżeli środek w wyniku działań gaśniczych przedostaje się do gleby lub wody • dla środków gazowych także krótki czas życia w atmosferze 2.2. Ogólny podział środków gaśniczych Stosowane współcześnie środki chemiczne stosowane do gaszenia pożarów można podzielić na dwie grupy: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 • substancje dodawane do wody, zwiększające jej skuteczność gaśniczą i rozszerzające zakres zastosowania – w tym przypadku działanie gaśnicze przynajmniej częściowo polega na chłodzeniu. Powstające roztwory wodne i piany gaśnicze działają powierzchniowo, ich zapotrzebowanie podaje się w stosunku do powierzchni pożaru. Roztwory wodne i piany mają najwyższą skuteczność w stosunku do pożarów grup A i B, nie mogą być jednak stosowane do gaszenia urządzeń pod napięciem elektrycznym oraz substancji niebezpiecznie reagujących z wodą. • środki stosowane samodzielnie, nie zawierające wody – mechanizm działania gaśniczego jest inny niż chłodzenie. Działają powierzchniowo lub przestrzennie – w tym przypadku zapotrzebowanie podaje się w stosunku do kubatury pomieszczeń. Mogą być stosowane do gaszenia urządzeń pod napięciem oraz substancji reagujących z wodą, ale w większości przypadków nie są skuteczne w stosunku do pożarów grupy A. 2.3. Chłodzące działanie gaśnicze Mechanizmy gaśnicze oparte na chłodzeniu (odbieraniu strumienia ciepła przez czynniki zewnętrzne w stosunku do pożaru) można podzielić następująco: • zwiększanie strat ciepła spalania do otoczenia – na przykład przez zastosowanie mgłowych prądów wody do chłodzenia strefy spalania • zmniejszenie szybkości zasilania płomienia parami cieczy lub produktami pirolizy materiału stałego – schładzanie powierzchni cieczy lub ciała stałego prądami wody (czystej lub z dodatkami) lub wyciekającym z piany roztworem • niedopuszczenie do nagrzania się materiałów palnych do temperatury pirolizy – schładzanie prądami wody materiałów narażonych na działanie promieniowania cieplnego Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 2.4. Działanie gaśnicze nie oparte na chłodzeniu Wśród mechanizmów nie opartych na chłodzeniu można wyróżnić: • oddzielanie powierzchni cieczy lub ciał stałych od płomienia i powietrza – piany gaśnicze oraz proszki ABC i D • zabezpieczanie powierzchni cieczy lub ciał stałych przed nagrzewaniem przez promieniowanie cieplne – piany gaśnicze • wypieranie gazów z ograniczonych przestrzeni – piany średnie i lekkie • antykatalityczne działanie na płomień – proszki BC i ABC, bromopochodne węglowodorów (halony), aerozole gaszące. Działanie to polega na znacznym przyspieszaniu rekombinacji wolnych rodników (są to reaktywne fragmenty cząsteczek przenoszące energię w łańcuchu reakcji chemicznych zachodzących w płomieniu) przez odnawiający się składnik aktywny, którym w przypadku proszków BC i aerozoli gaszących są atomy lub wodorotlenki metali alkalicznych w stanie gazowym, w przypadku proszków ABC – powierzchnia ziarenek, w przypadku halonów – bromowodór • działanie rozcieńczające – obojętne gazy gaśnicze, fluoropochodne węglowodorów. Działanie to polega na obniżaniu stężenia tlenu oraz na takiej zmianie parametrów termofizycznych atmosfery (ciepło właściwe, współczynnik przewodnictwa cieplnego, dyfuzyjność cieplna), żeby w uzyskanej mieszaninie gazów nie mogło zachodzić spalanie płomieniowe. 2.5. Środki stosowane jako dodatki do wody Dodatki do wody zwiększają skuteczność wody podawanej prądami gaśniczymi oraz w formie zrzutów lotniczych lub, jeśli zostanie zastosowany odpowiedni sprzęt, umożliwiają powstawanie pian gaśniczych, które można traktować jako oddzielny środek gaśniczy, chociaż w przypadku najczęściej stosowanych pian Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 ciężkich i średnich działanie chłodzące wyciekającego roztworu jest ważnym czynnikiem gaśniczym. Środki dodawane do wody można podzielić następująco: • środki pianotwórcze – ich 1 – 6 % roztwory wodne umożliwiają wytwarzanie gaśniczych • środki zwilżające – ich 0,1 – 1 % dodatek znacznie zwiększa szybkość wnikania wody w hydrofobowe materiały porowate • dodatki zwiększające lepkość, zmniejszające szybkość parowania i retardanty – stosowane głównie przy pożarach lasów. 2.6. Środki gaśnicze nie mające działania chłodzącego Następujące środki gaśnicze nie są oparte na wodzie i nie mają działania chłodzącego w stosunku do palącej się substancji (lub jeśli ono występuje, jest nieistotne w porównaniu z zasadniczym mechanizmem gaśniczym): • proszki gaśnicze – działają chemicznie, antykatalitycznie na płomień (BC) oraz fizycznie, izolująco na powierzchnie płonących materiałów stałych (ABC, D) • aerozole gaszące – obecnie w użyciu są aerozole wytwarzane pirotechnicznie, działają antykatalitycznie oraz rozcieńczająco (działanie fizyczne) • obojętne gazy gaśnicze – gazy nie oddziałujące chemicznie z płomieniem, działają rozcieńczająco. Obecnie są stosowane azot, argon, dwutlenek węgla oraz mieszaniny tych gazów • halony – działają chemicznie, antykatalitycznie na płomień, w niewielkim stopniu rozcieńczająco. Największe zastosowanie znalazły CF3Br, CF2ClBr oraz C2F4Br2. Obecnie nie są stosowane Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 • zamienniki halonów – działają fizycznie, rozcieńczająco. Są to chlorowcopochodne węglowodorów nie zawierające bromu, przede wszystkim fluoropochodne, na przykład C3F8, C3F7H, C4F10, C6F14 Aerozole gaszące, oraz gazy gaśnicze (poza dwutlenkiem węgla) są z definicji przeznaczone do użycia w zamkniętych pomieszczeniach i podawane są ze stałych urządzeń gaśniczych. Dwutlenek węgla jest stosowany w gaśnicach śniegowych. Cięższe halony (CF3ClBr oraz C2F4Br2) oraz ich zamienniki (na przykład C6F14) nadają się do zastosowania w gaśnicach. 2.7. Zakres zastosowania chemicznych środków gaśniczych Chemiczne środki gaśnicze mogą być stosowane zarówno w działaniach gaśniczych prowadzonych przez jednostki straży pożarnych jak i w stałych instalacjach gaśniczych oraz w podręcznym sprzęcie gaśniczym: • Działania jednostek straży pożarnych – wykorzystywane są przede wszystkim środki pianotwórcze, z których wytwarza się piany ciężkie i średnie, rzadziej lekkie. Piany ciężkie i średnie stosowane są do głównie gaszenia pożarów cieczy palnych, ale coraz częściej także w przypadku pożarów grupy A. W specjalnych sytuacjach, w przypadku konieczności gaszenia urządzeń pod napięciem elektrycznym lub substancji reagujących z wodą czy stopionych ciał stałych, stosuje się także proszki gaśnicze podawane z samochodów proszkowych • Stałe urządzenia gaśnicze – stosowane są zarówno środki pianotwórcze, w postaci koncentratów lub gotowych roztworów jak i pozostałe środki chemiczne. Roztwory środków pianotwórczych i piany gaśnicze stosuje się przede wszystkim przy zagrożeniach pożarami grupy B stwarzanych przez duże ilości cieczy palnych, zarówno w pomieszczeniach jaki na zewnątrz. Środki działające przestrzennie, gazy i aerozole gaszące, Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 stosowane są w zamkniętych przestrzeniach, zwłaszcza w przypadkach konieczności bardzo szybkiego zgaszenia pożaru w obecności działających urządzeń elektrycznych i elektronicznych; zapewniają one także uniknięcie strat związanych z niszczącym działaniem wody. • Gaśnice i agregaty – stosuje się w nich środki pianotwórcze (w postaci gotowego roztworu wodnego oraz jako koncentrat w oddzielnym zbiorniku wewnątrz gaśnicy), proszki gaśnicze oraz dwutlenek węgla. Gaśnice proszkowe zapewniają bardzo szybkie ugaszenie płomienia, działanie gaśnic pianowych jest wolniejsze, ale piana zapewnia zabezpieczenie powierzchni cieczy po zgaszeniu płomienia. Stosowane są także gaśnice ze specjalnymi roztworami do gaszenia pożarów gorących tłuszczów i olejów w urządzeniach kuchennych. 3. Podstawowe kryteria wyboru środków gaśniczych Wybór najbardziej efektywnego oddziaływania gaśniczego dla konkretnego przypadku musi obejmować przede wszystkim cel działania (zgaszenie pożaru lub zabezpieczenie przed jego powstaniem) oraz rodzaj pożaru. W tym kontekście pomocna jest klasyfikacja pożarów w zależności od rodzaju materiału palnego przedstawiona w Polskiej Normie PN-EN 2. Wprowadzenie grup pożarów A, B, C i D pozwala na ogólny wybór odpowiednich dla danej grupy oddziaływań gaśniczych. Dla grupy pożarów A skuteczne gaszenie zapewnia na ogół oddziaływanie chłodzące, zwłaszcza na materiał palny, ale właściwe może także okazać się działanie oddzielające materiał od płomienia i dostępu powietrza. Pożary grupy B zwykle można efektywnie ugasić przez odcięcie dopływu par cieczy do płomienia, chociaż, w zależności od rodzaju cieczy i sytuacji, skuteczne może Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 być też oddziaływanie antykatalityczne, rozcieńczające i chłodzące. W przypadku pożarów grupy C nie ma możliwości zmniejszenia przy pomocy oddziaływania gaśniczego zasilania płomienia paliwem, skuteczne gaszenie może zapewnić oddziaływanie antykatalityczne, rozcieńczające lub chłodzące. Pożary metali należące do grupy D można zgasić odcinając dopływ powietrza za pomocą warstwy izolującej wytrzymującej bardzo wysoką temperaturę spalania metalu. Działania gaśnicze skuteczne dla poszczególnych grup pożarów można zrealizować za pomocą różnych środków gaśniczych, dlatego uwzględnienie rodzaju materiału palnego można nazwać dopiero pierwszym poziomem wyboru środków gaśniczych. Wybór konkretnego środka gaśniczego dla danego przypadku musi być poprzedzony analizą pozostałych kryteriów efektywności, przy czym należy wziąć pod uwagę: o wielkość pożaru w chwili działania i szybkość jego rozwoju, o szczegółową charakterystykę materiału palnego i warunków spalania, o dodatkowe zagrożenia (urządzenia pod napięciem, niebezpieczne substancje chemiczne), o praktycznie dostępne metody podawania środka, o praktyczny czas podjęcia działań, o skutki działań dla środowiska przyrodniczego. Powyższe czynniki powinny być wzięte pod uwagę w każdym przypadku planowania zastosowania środka gaśniczego, zarówno w przypadku gaśnic przenośnych i przewoźnych, jak i stałych instalacji gaśniczych oraz działań operacyjnych jednostek ratowniczo – gaśniczych. Rozpatrzmy to na przykładzie grupy pożarów A. Pożar należący do grupy A zawsze można skutecznie zgasić przez ochłodzenie materiału palnego. Na ogół wystarczy zastosowanie prądów wody, jeśli jednak materiał palny jest hydrofobowy, drobnoporowaty lub z innego powodu woda nie może dotrzeć do Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 całej objętej spalaniem powierzchni materiału, trzeba zastosować roztwór środka zwilżającego, w postaci prądu rozproszonego lub piany o niewielkiej liczbie spienienia. Jednym z przykładów są tu pożary opon samochodowych, bardzo trudne do zgaszenia przy stosowaniu prądów czystej wody ze względu na hydrofobowość materiału i jego przestrzenne ułożenie. Dodanie do wody 1 – 2 % syntetycznego środka pianotwórczego i zwiększenie stopnia rozproszenia prądu wody znacznie przyspiesza czas gaszenia takiego pożaru. Jeszcze lepsze efekty przynosi zastosowanie piany ciężkiej z roztworu środka typu S lub piany z urządzeń typu CAFS. Innym argumentem przemawiającym za stosowaniem roztworów zwilżających lub pian przy gaszeniu niektórych pożarów grupy A jest możliwość znacznego skrócenia czasu działań i ograniczenia ilości ścieków popożarowych, które mogą zawierać toksyczne substancje. W określonych sytuacjach skrócenie czasu działań może przynieść obniżenie ich całkowitego kosztu, mimo zużycia pewnej ilości drogich środków pianotwórczych. Trzeba jednak z kolei wziąć pod uwagę negatywny wpływ zawartych w środkach pianotwórczych i zwilżających detergentów na środowisko wodne, Jeśli pożar jest niewielki, lub obejmuje urządzenia pod napięciem elektrycznym czy niebezpiecznie reagujące z wodą substancje chemiczne, do gaszenia można zastosować proszki gaśnicze. Odpowiednio podany strumień proszku typu zarówno BC jak i ABC szybko zgasi płomienie pożaru grupy A. Jednak przy zastosowaniu proszku BC, który ma wyłącznie działanie antykatalityczne, płomień powraca natychmiast po zakończeniu podawania środka. Proszek typu ABC także działa inhibicyjne w płomieniu, ale dodatkowo reaguje na gorącej zwęglonej powierzchni palącego się materiału wytwarzając warstwę oddzielającą utrudniającą wydostawanie się na zewnątrz lotnych produktów rozkładu materiału, które mogłyby zasilać płomień, oraz ograniczającą dostęp powietrza do strefy spalania bezpłomieniowego i rozkładu termicznego. Można w ten sposób osiągnąć zgaszenie pożaru mimo Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 praktycznego braku działania chłodzącego. Warunkiem powodzenia jest jednak takie podawanie proszku, żeby dotarł on do wszystkich powierzchni materiału objętych spalaniem. Ten warunek jest trudny do spełnienia nawet przy dość luźnej strukturze płonącego materiału, trzeba się więc liczyć z możliwością nawrotu palenia po pewnym czasie. Stosowany w tym przypadku proszek ABC powinien mieć także wysoką zawartość fosforanu monoamonowego, ponieważ właśnie ten składnik zapewnia powstawanie warstwy oddzielającej. Podobną analizę można przeprowadzić dla przypadku pożarów grupy B. Tutaj także trzeba wziąć pod uwagę szczegółową charakterystykę stwarzających zagrożenie w danym przypadku cieczy palnych. Małe pożary wszystkich cieczy palnych można szybko zgasić przy użyciu proszków gaśniczych, zarówno typu BC jak i ABC. Możliwe jest też skuteczne zastosowanie silnie rozproszonych prądów wody oraz, w pomieszczeniach, gazów gaśniczych. Jeśli jednak pożar ma większe rozmiary, szybko się rozprzestrzenia lub zachodzi konieczność zabezpieczenia rozlewiska przed ponownym zapaleniem, należy zastosować piany gaśnicze. Wybór rodzaju środka pianotwórczego, typu piany i sposobu podawania zależy przede wszystkim od właściwości cieczy, ale trzeba także wziąć pod uwagę warunki spalania (płytkie lub głębokie rozlewisko, pożar cieczy w zbiorniku, pożar cieczy wypływającej, na przykład z rurociągu). Szybkie gaszenie pożarów rozlewisk niskowrzących cieczy węglowodorowych zapewnia piana ciężka wytwarzana z roztworów wodnych środków typu AFFF, a nawet roztwory tych środków podawane bez napowietrzania, jako prąd rozproszony. Wysoką efektywność gaszenia osiąga się dzięki tworzeniu przez roztwór zawierający perfluorowane środki powierzchniowo czynne cienkiej warstewki („filmu wodnego”) na powierzchni paliwa. Jeśli jednak mamy do czynienia z rozlewiskiem cieczy o charakterze polarnym (alkohole, ketony, estry, itp.), nie ma możliwości powstania filmu wodnego, a sama piana jest silnie niszczona w kontakcie z cieczą. Zgaszenie pożaru cieczy polarnej przez pokrycie jej powierzchni pianą jest możliwe, jeśli zastosuje się do sporządzania Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 roztworu pianotwórczego specjalne alkoholoodporne środki pianotwórcze (noszą one oznaczenia AR, APS lub ATC). Piany tworzące film wodny mogą zawodzić także przy gaszeniu pożarów wyżej wrzących cieczy węglowodorowych, których powierzchnia osiąga temperaturę przekraczającą około 70 oC. W kontakcie z powierzchnią o takiej temperaturze, jeżeli nie zostaje ona szybko obniżona, film wodny nie powstaje. W takich warunkach można zastosować piany o podwyższonej odporności termicznej, na przykład ze środków typy FP lub FFFP. Innym ograniczeniem dla pian typu AFFF są pożary cieczy wypływającej lub tryskającej pod ciśnieniem. W takich warunkach decydujący o ich skuteczności film wodny także nie powstaje. W przypadku pożaru wewnętrznego, w czasie trwania I fazy pożaru (kontrolowanej przez paliwo) zwykle następuje ciągły wzrost szybkości wydzielania ciepła aż do rozgorzenia (flashover) w którym środowisko pożaru osiąga II fazę (kontrolowaną przez wentylację) z maksymalną wartością szybkości wydzielania ciepła. Podczas I fazy pożar może być tłumiony w wyniku działania systemu gaśniczego w budynku (np. tryskacze) lub interwencji straży pożarnej (podania środka gaśniczego). Straż pożarna może również interweniować w II fazie pożaru po rozgorzeniu. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Qwk oznacza szybkość wydzielania ciepła w warunkach pożaru kontrolowanego przez wentylację, Qgasz jest szybkością wydzielania ciepła w momencie podania środka gaśniczego i Qkontr oznacza maksymalną szybkość wydzielania ciepła przy której pożar może być kontrolowany przy danym sposobie gaszenia i intensywności podawania srodka.. Skuteczność działania środków gaśniczych zależy od : wielkość pożaru w czasie zadziałania systemu gaśniczego w budynku lub w czasie pierwszego natarcia, rodzaj systemu gaśniczego lub rodzaj działań podjętych przez jednostki straży, geometria chronionej lub gaszonej przestrzeni, Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 obszar oddziaływania systemu (środka) gaśniczego. Skuteczność gaszenia pożaru przez straż pożarną zależy od: wielkości pożaru przy pierwszym natarciu, ilości prądów gaśniczych wyposażenia interweniujących jednostek. Na podstawie powyższych czynników powinno dokonać się oszacowania: maksymalnej szybkości wydzielania się ciepła powierzchni pożaru, które jeszcze mogą być kontrolowane przez straż pożarną. Jeżeli straż przeprowadzi pierwsze natarcie poniżej granicy ( Qkontr), można założyć, że pożar zostanie ugaszony lub uzyska się nad nim kontrolę. Jeśli jednak gaszenie zostanie podjęte później, pożar pozostanie poza kontrolą dopóki szybkość wydzielania ciepła nie opadnie poniżej tej granicy. Efekty podjętych działań gaśniczych zależą od fazy rozwoju pożaru: a). Pożar ugaszony. Podanie środka gaśniczego zmniejsza szybkość wydzielania ciepła praktycznie do zera w ciągu krótkiego czasu od kilkudziesięciu sekund (urządzenia tryskaczowe) do kilku sekund (gazowe systemy gaśnicze). Przebieg gaszenia zależy od rodzaju instalacji gaśniczej. Gazowe instalacje gaśnicze muszą być zaprojektowane tak, aby zgaszenie nastąpiło w ciągu kilku sekund, co wynika z działania gaśniczego gazów. b). Pożar kontrolowany. Zastosowanie środka gaśniczego hamuje wzrost szybkości wydzielania ciepła i pożar pali się ze stałą szybkością. c). Pożar niekontrolowany. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 System gaśniczy zawodzi. Podanie środka gaśniczego nie hamuje wzrostu szybkości wydzielania ciepła. Gaszenie nie będzie skuteczne, jeśli szybkość wydzielania ciepła przez pożar przy rozpoczęciu podawania przewyższa maksymalną szybkość wydzielania ciepła Qkontr przy której pożar może jeszcze być kontrolowany lub ugaszony przez system gaśniczy lub działania straży. Jeśli pierwsze natarcie straży pożarnej lub aktywacja systemu gaśniczego nastąpi po tym czasie, szybkość wydzielania ciepła będzie większa od Qkontr. Możliwa jest wtedy jedynie częściowa kontrola pożaru. Oszacowanie szybkości wydzielania ciepła w pożarze pozwala ocenić nieprzekraczalny czas podjęcia działań przez jednostki straży pożarnej lub nieprzekraczalny czas aktywacji systemu gaśniczego. Oceny takie zakładać muszą określoną skuteczność zastosowanej metody gaszenia pożaru i środka gaśniczego. • Zastosowanie skuteczniejszych metod gaszenia oznacza możliwość jego zgaszenia lub uzyskania kontroli po dłuższym czasie rozwoju pożaru. • Skuteczniejszy środek gaśniczy może być z powodzeniem zastosowany nawet po przekroczeniu przez rozwijający się pożar wartości Qkontr obliczonej dla standardowej metody gaszenia. • W przypadku pożarów wewnątrz budynków wartość Qkontr zależy przede wszystkim od stopnia wykorzystania podanej wody do chłodzenia materiałów palnych i gazów w pomieszczeniu. Jeżeli potencjalne możliwości chłodzące środka gaśniczego wykorzystane w większym stopniu do chłodzenia materiałów palnych, można przewidywać podwyższenie wartości Qkontr, a więc także możliwość zgaszenia pożaru przy wyższych Qgasz. Ten cel można osiągnąć na przykład przez: stosowanie właściwie zaprojektowanych urządzeń tryskaczowych zapewniających odpowiedni rozkład wielkości kropel wody Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 szczególnie dobre efekty przynosi jednak dopiero całkowicie inny sposób podawania środka chłodzącego – na przykład w postaci strumienia piany z urządzeń CAFS. 4. Gaszenie przez całkowite wypełnianie Wypełnianie pomieszczenia (całkowite wypełnianie) – operacja polegająca na wytworzeniu założonego stężenia gazu gaśniczego w całej objętości pomieszczenia. Skuteczne stężenia gazu gaśniczego (stężenia projektowe) – stężenia inertujące, wyznaczone z obszaru palności paliwo-powietrze-gaz gaśniczy lub stężenia gaszące, wyznaczone metodą palnika. Przyjęte oznaczenia: V [m3] – objętość wypełnianego pomieszczenia ν [m3/kg] – objętość właściwa gazu gaśniczego c [% obj.] – stężenie objętościowe gazu gasniczego cO2 [% obj.] – stężenie objętościowe tlenu τ [min] – czas VS [m3/min] – strumień objętościowy gazu gaśniczego VW [m3/min] – strumień objętościowy wentylacji m [kg] – całkowite zużycie gazu gaśniczego W [kg/m3] – zapotrzebowanie środka liczone na jednostkę objętości pomieszczenia Zapotrzebowanie gazu niezbędne do osiągnięcia w pomieszczeniu założonego stężenia można obliczyć, przyjmując następujące założenia: • bardzo szybkie mieszanie się gazu z powietrzem, • stałość temperatury i ciśnienia podczas wypełniania, Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 • określony model mieszania się gazu z powietrzem wewnątrz pomieszczenia, oraz zakładając określoną wartość stężenia skutecznego gazu c i znając objętość właściwą gazu gaśniczego w temperaturze wypełniania. Z dokładnością nie mniejszą niż 5 % objętość właściwą gazu można obliczyć przekształcając równanie stanu gazu doskonałego do postaci: R ⋅T ν= M⋅p gdzie: R – stała gazowa, T [K] – temperatura, M [kg/kmol] – masa molowa gazu, p – ciśnienie w pomieszczeniu. Jeśli ciśnienie podstawiamy w atmosferach fizycznych, wartość stałej gazowej wynosi 0,08205 m3·atm/kmol·K. Dla gazów gaśniczych będących mieszaninami i składników w stężeniach xi i o masach molowych Mi, można do obliczeń objętości właściwej użyć średniej masy molowej, obliczanej jako: M = ∑ xi ⋅ M i i Modele wypełniania pomieszczeń: 1. Wypełnianie bez strat środka Gaz miesza się z częścią powietrza w pomieszczeniu wypychając nadmiar powietrza. Cała objętość podanego gazu jest zużywana na przyrost stężenia. Podczas wypełniania z pomieszczenia wypływa powietrze. (przykład : bardzo szybkie rozładowanie instalacji w niewielkim pomieszczeniu z dyszy umieszczonej po przeciwnej stronie niż wylot gazów; niskie stężenia gazu) Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 2. Jednokrotny wypływ gazów po wymieszaniu Gaz miesza się z całym powietrzem w pomieszczeniu, po wymieszaniu z pomieszczenia wypływa nadmiar mieszaniny gazu z powietrzem. (przykład : bardzo szybkie rozładowanie instalacji w niewielkim pomieszczeniu z dyszy umieszczonej centralnie, niskie stężenia gazu) 3. Wentylacja naturalna W miarę mieszania się gazu z powietrzem, przez cały czas podawania, z pomieszczenia wypływa mieszanina gazu z powietrzem o rosnącym stężeniu (przykład : podawanie gazu do dużego pomieszczenia; wysokie stężenia gazu) 4. Wentylacja wymuszona W miarę mieszania się gazu z powietrzem, przez cały czas podawania, z pomieszczenia wypływa mieszanina gazu z powietrzem o rosnącym stężeniu. Podczas podawania środka do pomieszczenia dopływa powietrze. (przykład : podawanie gazu do dużego pomieszczenia przy działającej wentylacji nawiewnej; wysokie stężenia gazu). 4.1. Obliczanie zapotrzebowania dla modelu bez strat. Gaz gaśniczy dopływa do pomieszczenia o objętości V z szybkością objętościową Vs. Po upływie czasu τ do pomieszczenia dostarczono objętość gazu równą Vs·τ. W tym samym czasie z pomieszczenia wypłynęła taka sama ilość powietrza, co powoduje, że ciśnienie w pomieszczeniu nie zmienia się. Stężenie objętościowe środka gaśniczego w pomieszczeniu po upływie czasu podawania τ wynosi więc: Vs ⋅ τ c= V Tą samą objętość Vs·τ gazu gaśniczego można wyrazić jako iloczyn masy i objętości właściwej m·ν, po podstawieniu : Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 m ⋅ν c= V Po uwzględnieniu, że stosunek masy wprowadzonego gazu do objętości pomieszczenia nazywamy zapotrzebowaniem środka W i przekształceniu otrzymujemy zależność dla modelu nr 1: c W1 = ν Ponieważ w tym modelu zakłada się brak strat środka gaśniczego, obliczone według niego zapotrzebowanie można nazwać minimalnym teoretycznym zapotrzebowaniem środka gaśniczego. 4.2. Obliczanie zapotrzebowania dla modelu jednokrotnego wypływu W tym modelu zakłada się, że objętość Vs·τ podanego gazu miesza się z całą objętością powietrza w pomieszczeniu V i następnie z pomieszczenia wypływa nadmiar mieszaniny gazu z powietrzem (o objetości takiej samej, jak objętość podanego gazu) o takim samym stężeniu, jak stężenie mieszaniny pozostałej w pomieszczeniu. Stężenie gazu obliczamy jako: Vs ⋅ τ c= V + Vs ⋅ τ Po wprowadzeniu zapotrzebowania ( Vs ⋅τ =m·ν) i przekształceniu otrzymujemy: c W2 = ν (1 − c) Zapotrzebowania W2 obliczone dla modelu II będą więc zawsze wieksze od minimalnych teoretycznych zapotrzebowań W1. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 4.3. Obliczanie zapotrzebowania dla modelu wentylacji naturalnej Podawaniu do pomieszczenia gazu z szybkością objętościową Vs towarzyszy jednoczesny wypływ z pomieszczenia mieszaniny gazu z powietrzem o rosnącym stężeniu. Stężenie gazu w pomieszczeniu także rośnie w miarę podawania i jest takie samo, jak w strumieniu wylotowym. Jeśli w pewnym momencie podawania stężenie w pomieszczeniu (i na wylocie) wynosi c(τ), do po upływie różniczkowego czasu dτ do pomieszczenia dodatkowo wpłynie objętość Vs· dτ gazu, z czego Vs· c(τ)· dτ opuściło pomieszczenie. Jeśli w tym samym, różniczkowym czasie, stężenie gazu w pomieszczeniu wzrosło o dc, to bilans środka można zapisać jako: Vs ⋅ dτ = Vs ⋅ c(τ )dτ + V ⋅ dc(τ ) Jeśli strumień objętościowy środka jest stały, stężenie gazu w pomieszczeniu zależy tylko od czasu i równanie bilansowe można przekształcić do postaci: Vs dc Vs + ⋅c − = 0 dτ V V Rozwiązanie tego równania przy warunku początkowym c = 0 dla τ = 0 daje wynik:  Vs  c = 1 − exp − ⋅ τ   V  Po wprowadzeniu zapotrzebowania ( Vs ⋅τ =m·ν) i przekształceniu otrzymujemy: c = 1 − exp (− W ⋅ν ) 4.4. Obliczanie zapotrzebowania dla modelu wentylacji wymuszonej Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Założenia modelu są takie same, jak w przypadku wentylacji naturalnej, dodatkowo zakłada się doprowadzanie do pomieszczenia powietrza w czasie podawania gazu gaśniczego (w wypełnianym gazem pomieszczeniu działa cały czas wentylacja nawiewna). Równanie bilansu środka przyjmuje dla takiego przypadku postać: Vs ⋅ dτ = Vw ⋅ c(τ )dτ + V ⋅ dc(τ ) gdzie Vw oznacza objętościową szybkość wentylacji pomieszczenia. Jeśli strumienie objętościowe środka gaśniczego i wentylacji są stałe w czasie, bilans można przekształcić do równania różniczkowego analogicznie, jak w modelu III. Rozwiązanie równania ma postać: Vs c= Vw   Vw  1 − exp − V ⋅ τ     Z powyższego rozwiązania wynika, że przy ustalonych wartościach strumienia objętościowego środka i strumienia wentylacji, niezależnie od czasu podawania gazu nie można będzie przekroczyć wartości stężenia gazu równej stosunkowi Vs/Vw. 5. Skutki ekologiczne stosowania środków gaśniczych 5.1. Gazy gaśnicze Odkrycie niebezpiecznego wpływu na warstwę ozonu chlorowcopochodnych węglowodorów sprawiło, że gazy stosowane do gaszenia i inertowania poddawane są obecnie bardzo wnikliwej ocenie. Najważniejsze stosowane wskaźniki opisujące szkodliwe działanie gazów gaśniczych, związane z toksycznością i negatywnym wpływem na atmosferę, zestawiono poniżej: LC50 – Lethal Concentration50 – stężenie powodujące śmierć 50 % populacji Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 badanych zwierząt laboratoryjnych; ALC – Approximate Lethal Concentration – przybliżone stężenie śmiertelne – stężenie powodujące śmierć całej populacji badanych zwierząt; NOAEL – No Observed Adverse Effect Level – najwyższe stężenie substancji, przy którym nie zaobserwowano niekorzystnych skutków wpływu na organizm; LOAEL – Lowest Observed Adverse Effect Level – najniższe stężenie substancji, przy którym zaobserwowano niekorzystne skutki wpływu na organizm; GWP – Global Warming Potential – potencjał globalnego ocieplenie klimatu – wskaźnik liczony na 100 lat w stosunku do wzorca: CO2 = 1; ODP – Ozone Depletion Potential – potencjał niszczenia ozonu stratosferycznego w stosunku do Freonu 11 lub 12, dla których wskaźnik ten równa się 1; ALT – Atmospheric Life Time – czas życia w atmosferze; W tabeli poniżej zestawiono najważniejsze parametry dla gazów obojętnych, halonów i ich zamienników. Stężenia gaszące płomień w palniku dyfuzyjnym Cg są podane w % objętościowych. Wszystkie obecnie brane pod uwagę perfluorowane zamienniki halonów, chociaż nie mają niszczącego wpływu na warstwę ozonową, mają wysokie wartości GWP i długie czasy życia w atmosferze. Poprawę tych parametrów można uzyskać pozostawiając jeden atom wodoru w cząsteczce (FM-200) lub wprowadzając do cząsteczki grupy funkcyjne zwiększające podatność substancji na degradację w atmosferze (Novec 1230 – CF3CF2COCF(CF3)2). Warto zauważyć, że jedynym gazem gaśniczym o szerokim zastosowaniu i znacznej toksyczności jest CO2. Wszystkie zamienniki halonów mają niską toksyczność, jednak podczas gaszenia nimi pożaru mogą powstawać toksyczne produkty rozkładu (HF). Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Nazwa Skład Cg LC50 ALC [%] [%] [%] ODP GWP ALT [lat] Gazy obojętne Azot N2 34 –1) – nie dotyczy Argon Ar 38 – – nie dotyczy CO2 24 10 – Ar / N2 28 – – nie dotyczy Ar/N2/CO2 29 – – nie dotyczy Dwutlenek węgla Argonite Inergen 0 1 – Halony Halon 1211 CF2ClBr 3,2 – 28 4 – – Halon 1301 CF3Br 2,9 – 83 13 5600 65 Halon 2402 C2F4Br2 2,2 – 8,5 – – – Zamienniki halonów FE – 13 CHF3 12,0 – > 65 0 11700 264 CEA – 410 C4F10 5,9 > 80 – 0 7000 2600 CEA – 308 C3F8 7,3 > 11 > 81 0 – – CEA – 614 C6F14 4,0 > 80 – 0 – – FM – 200 C3HF7 5,8 – > 80 0 2900 36,5 Novec 1230 C6F9O 5,0 >10 – 0 1 0,2 1) „– ” oznacza brak danych 5.2. Piany i środki pianotwórcze Piany wytwarzane w sposób tradycyjny powstają z roztworów środków pianotwórczych o stężeniach 2 ÷ 6 %. Nowoczesne techniki wytwarzania pian i nowoczesne środki pianotwórcze umożliwiają wytwarzanie pian z roztworów o stężeniach 0,2 ÷ 2 %. Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Środki pianotwórcze wszystkich stosowanych obecnie typów zawierają następujące składniki: 1. Substancje pianotwórcze • substancje powierzchniowo – czynne pochodzenia naturalnego (białkowe) – w środkach pianotwórczych typu P, FP, FFFP i proteinowych typu AR; • detergenty syntetyczne – w środkach pianotwórczych typu S, A i syntetycznych typu AR; • detergenty syntetyczne fluorowane i perfluorowane – w środkach pianotwórczych typu AFFF, FFFP, FP i typu AR tworzących film wodny. 2. Rozpuszczalniki organiczne • alkohole – etylowy, propylowy, izopropylowy, butylowy, izobutylowy • glikoetery – butylokarbitol, butylocellosolv • stabilizatory piany • wyższe alkohole ( C10 ÷ C14 ) • amoniakalne kompleksy soli kwasów tłuszczowych 3. Dodatki ułatwiające wzajemną rozpuszczalność składników • mocznik • toluenosulfonian sodu, ksylenosulfonian sodu 4. Dodatki obniżające temperaturę krzepnięcia • glikole: etylenowy, propylenowy, heksylenowy 5 .Inhibitory korozji Ze względu na zawartość w koncentracie i właściwości, istotny wpływ na środowisko mają substancje powierzchniowo – czynne i rozpuszczalniki organiczne. Wpływ pian na środowisko trzeba rozpatrywać jako wpływ roztworów środków pianotwórczych, z których piany te zostały wytworzone. Wpływ środków pianotwórczych na środowisko zależne jest od ich stężenia w wodzie. W Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 czystych koncentratach syntetycznych znajduje się od kilku do dwudziestu procent substancji powierzchniowo – czynnych i do 30 % rozpuszczalnika organicznego. W roztworach o stężeniu 3 % znajduje się do 6 g substancji powierzchniowo – czynnej w litrze i do 9 g rozpuszczalnika organicznego. Są to stosunkowo wysokie stężenia (badania nad rozkładem biochemicznym detergentów prowadzi się dla roztworów o stężeniach 0,5 ÷ 1 g/l). Przy użyciu nowoczesnych technik piany wytwarza się z roztworów o stężeniach 0,2 ÷ 1,0 %, co odpowiada stężeniom czystych detergentów 0,4 ÷ 2 g/l. Wpływ określonej substancji chemicznej na środowisko określa jej toksyczność i biodegradowalność. Środki pianotwórcze są mało toksyczne dla zwierząt. Dla najbardziej toksycznych środków typu S i AFFF dawka LD50 = 2 ÷ 5 g/kg (LD50 – dawka na kilogram masy ciała, która powoduje śmierć 50 % populacji badanych zwierząt). Dla roślin środki pianotwórcze są mało szkodliwe w roztworach o niskich stężeniach (rzędu 0,5 %). Mogą powodować zahamowanie wzrostu jednych roślin i przyspieszenie wzrostu innych. Przy wyższych stężeniach, w krótkim czasie widać wyraźne różnice w wyglądzie roślin potraktowanych pianami w porównaniu z próbą kontrolną. Wyraźnie mniej szkodliwe są środki proteinowe – P, FP i FFFP. Zdecydowanie negatywny wpływ mają środki pianotwórcze na organizmy wodne. Toksyczne stężenia środków pianotwórczych typu S i A dla najbardziej wrażliwych organizmów wodnych (pstrąg, rozwielitka) zaczynają się już od 7 ppm (LC50/96h – stężenie substancji w wodzie powodujące śmierć50 % badanej populacji w ciągu 96 godzin ). Toksyczność poszczególnych grup środków pianotwórczych w stosunku do organizmów wodnych maleje od środków detergentowych do proteinowych: S i A > AFFF > P > FP > FFFP Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 Szkodliwość środków pianotwórczych dla organizmów wodnych charakteryzowana jest także wskaźnikiem EC50 – jest to stężenie w wodzie wywołujące u 50 % organizmów wodnych szczególną reakcję (np. znieruchomienie rozwielitki) lub 50 % redukcję czynności życiowych (np. zahamowanie wzrostu alg). Dla środków pianotwórczych typu S EC50 osiąga wartości 50 ÷ 100 ppm. Wskaźnikami charakteryzującymi zdolność do rozkładu w środowisku są: ChZT – chemiczne zapotrzebowanie tlenu – maksymalne, teoretyczne zapotrzebowanie tlenu niezbędne do pełnej mineralizacji (przeprowadzenie w produkty nieorganiczne) danego związku organicznego. ChZT wyznacza się doświadczalnie lub oblicza teoretycznie na podstawie równania reakcji spalania. BZT – biochemiczne zapotrzebowanie tlenu – niezbędna do rozkładu substancji ilość tlenu pobrana ze środowiska. BZT wyznacza się doświadczalnie. W nieskończenie długim czasie BZT = ChZT. Zwykle oznacza się BZT5 lub BZT20 – biochemiczne zapotrzebowanie tlenu po 5 i 20 dniach. Stopień rozkładu biochemicznego zależny jest od budowy chemicznego. Dla substancji łatwo rozkładalnych biochemicznie związku stosunek BZT20/ChZT > 0,5 ÷ 0,7. Związki powierzchniowo – czynne, znajdujące się typowych środkach pianotwórczych typu S i A należą do najłatwiej rozkładalnych biochemicznie. Ich stopień rozkładu wynosi 70 ÷ 100 %. Najtrudniej rozkładalne są związki z perfluorowanymi łańcuchami węglowodorowymi, znajdujące się w środkach pianotwórczych typu AFFF i FFFP. Związki z niecałkowicie fluorowanym łańcuchem rozkładają się łatwiej, ale znacznie trudniej niż liniowe detergenty węglowodorowe. Rozpuszczalniki i dodatki, znajdujące się w środkach pianotwórczych rozkładają się stosunkowo łatwo (za wyjątkiem toluenowych i ksylenowych substancji hydrotropowych). Szybkość rozkładu biochemicznego zależy od stężenia substancji i temperatury – zmniejsza się ze wzrostem stężenia i wzrasta Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 w wyższej temperaturze. Szybkość rozkładu charakteryzuje wskaźnik BZT5 – jednocześnie jest to wskaźnik chwilowego obciążenia ścieków lub akwenów. 5.3. Przenikanie środków pianotwórczych do środowiska Podczas działań gaśniczych środki pianotwórcze mogą bezpośrednio dostawać się do środowiska. Na ogół piany lub roztwory trafiają do gruntu – istnieje wtedy możliwość skażenia wód gruntowych, a także możliwość wymywania z gruntu nierozpuszczalnych w wodzie skażeń chemicznych i skażenia nimi wód gruntowych. Z tego względu niewskazane jest polewanie miejsca podania piany nadmiarem wody. Piana lub roztwór trafiający do cieków wodnych może spowodować chwilowe, lokalne obciążenie – następuje szybkie rozcieńczenie, tym szybsze, im większa szybkość przepływu wody. W przypadkach dostania się roztworów pianotwórczych do wód stojących zachodzi zazwyczaj możliwość poważnego zakłócenia ekosystemu, zależnie od wielkości skażenia. Na terenach skanalizowanych, zależnie od ilości środków pianotwórczych, które dostały się do kanalizacji może dojść nawet do poważnego zakłócenia pracy oczyszczalni ścieków. W Anglii obowiązuje przepis, że substancja łatwo rozkładalna biochemicznie (BZT5/ChZT > 0,65) może być skierowana do kanalizacji po rozcieńczeniu wodą w stosunku 1 : 250. 5.4. Czynniki wpływające na zagrożenie środowiska pianami Takim czynnikiem jest przede wszystkim wysokie stężenie roztworu środka pianotwórczego, które powoduje: • zmniejszenie szybkości biodegradacji; • wzrost niszczącego oddziaływania na rośliny; • zwiększenie rozmiarów skażenia wód; • obciążenie oczyszczalni ścieków; Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 • wzrost poziomu skażeń ubocznych. Wytworzenie stężenia roztworu o stężeniu innym niż robocze jest zwykle spowodowane niesprawnością urządzeń dozujących środek pianotwórczy. Jednak zbyt niskie w stosunku do roboczego stężenie środka pianotwórczego powoduje pogorszenie jakości piany, co może powodować wydłużenie czasu gaszenia, a przez to wzrost skażenia. Także niesprawność sprzętu pianotwórczego i jego wady powodują wytworzenie piany o niższej liczbie spienienia, co może przedłużyć czas akcji i zwiększyć skażenie. Innym czynnikiem jest niewłaściwa taktyka działania: • Niepotrzebne podanie piany • Niewłaściwie dobrany środek pianotwórczy • Niewłaściwy dobór intensywności podawania piany • Niewłaściwa technika podawania piany Zbyt duża intensywność powoduje niepotrzebne obciążenie środowiska i straty środka pianotwórczego. Zbyt mała intensywność wydłuża czas gaszenia lub nie zapewnia ugaszenia. Czynnikiem zwiększającym zagrożenie może być także niska temperatura otoczenia. Niska temperatura wody może spowodować spadek zdolności pianotwórczej, a przez to wydłużyć czas akcji. W niskiej temperaturze zmniejsza się także szybkość rozkładu biochemicznego. W celu przeciwdziałania szkodliwym skutkom użycia pian należy wziąć pod uwagę: • Dbałość o sprawność wszystkich elementów pianowej linii gaśniczej; • Wprowadzanie nowych technik wytwarzania i podawania pian; • Przemyślane stosowanie pian w działaniach ratowniczych (unikać niepotrzebnego stosowania pian); • Podnoszenie poziomu wyszkolenia strażaków w zakresie taktyki gaszenia pianami; Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 • Poszukiwanie nowych receptur środków pianotwórczych, działających przy możliwie niskich stężeniach roboczych; • Poszukiwanie innych skutecznych i proekologicznych sposobów zwalczania pożarów. 6. Przykłady obliczeniowe 6.1. Obliczanie zapotrzebowania wody 1. Jaki strumień ciepła może odebrać strumień wody o temperaturze początkowej 15 oC podawany z szybkością 400 dm3/min, jeżeli 40 % wody nie dociera do strefy pożaru, pozostała część wody w 50 % odparowuje a w 50 % ogrzewa się do temperatury końcowej 70 oC. Ciepło parowania wody przyjąć 2257 kJ/kg, ciepło właściwe 4,19 kJ/kg⋅K. Jeśli 40 % wody nie dociera do strefy pożaru, to ogólny współczynnik wykorzystania wody ww = 0,6. Współczynnik odparowania wo = 0,5, czyli połowa wody docierającwej do pożaru ogrzewa się do 100 oC i odparowuje, a połowa tylko ogrzewa się do temperatury 70 oC. Ciepło odbierane przez odparowującą wodę można zapisać: q par = ww wo G (∆H + c p (100 − 15)) . Woda, która nie odparowuje, a tylko ogrzewa się do temperatury 70 oC odbiera ciepło: q ogrz = w w G (1 − w o )c p (70 − 15 ) Łączny strumień ciepła odbieranego przez wodę wyniesie więc: [ ] q = wwG wo ∆H + wo c p (100 − 15) + (1 − wo )c p (70 − 15) = 400 (0,5 ⋅ 2257 + 0,5 ⋅ 4,19 ⋅ 85 + 0,5 ⋅ 4,19 ⋅ 55) = 4(1128,5 + 178,1 + 115,2) = 5687kW = 0,6 ⋅ 60 2. Obliczyć, jaki największy strumień ciepła może odebrać woda podawana z szybkością 200 kg/min. Temp. początkowa wody to = 15 oC, ciepło parowania w temp. 100 oC ∆Hpar = 2257 kJ/kg, ciepło właściwe cp = 4,19 kJ/kg·deg. Strumień ciepła odbierany przez wodę będzie największy, jeśli cała podawana woda będzie ogrzewała się do 100 oC i odparowywała (wykorzystanie i odparowanie wody wynosi 100 %): Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 ww = wo = 1 Maksymalna szybkość odbierania ciepła przez wodę podawaną z szybkością 200 kg/min wynosi więc: q max = 1 ⋅ 200 (1⋅ 2257 + 1⋅ 4,19 ⋅ 85) = 3,333(2257 + 356,2) = 8710kW 60 3. Jaką objętość zajmie para wodna powstała przez całkowite odparowanie 100 kg wody i ogrzanie pary do temperatury 227 oC? Objętość określonej masy gazu lub pary zależy od ciśnienia i temperatury. Zakładamy, że ogrzewana para wodna może swobodnie zwiększać objętość pod ciśnieniem atmosferycznym. Przy temperaturze T = 273 + 227 = 500 K i pod ciśnieniem p = 1 atm (atmosfera fizyczna) Objętość n moli pary wodnej obliczymy z równania stanu gazu doskonałego: pV = nRT , gdzie R jest stałą gazową wynoszącą 8,31 J/mol·K. Dla uniknięcia przeliczania jednostek podstawimy stałą gazową jako 0,082 m3·atm/kmol·K. Liczbę moli pary wodnej podstawimy jako: n= m , M gdzie m oznacza masę pary a M jest jej masą molową. Ostatecznie: V = mRT 100 ⋅ 0,082 ⋅ 500 = = 227,8m 3 18 ⋅1 Mp 4. Jaki wzrost ciśnienia nastąpi w pomieszczeniu o objętości 100 m3 po odparowaniu w nim 100 kg wody i ogrzaniu pary wodnej do 227 oC? Podobnie jak poprzednio do obliczeń zastosujemy równanie stanu gazu, wiążące ze sobą ciśnienie, temperaturę i objętość określonej masy gazu. Zakładamy, że początkowe ciśnienie w pomieszczeniu wynosiło 1 atm, oraz, że pomieszczenie jest szczelne. Dodatkowe ciśnienie wytworzone przez parę wodną wynosi: p= mRT 100 ⋅ 0,082 ⋅ 500 = = 2,28atm . MV 18 ⋅100 Ciśnienie w pomieszczeniu wzrośnie więc do 3,28 atm. 6.2. Obliczanie zapotrzebowania środka pianotwórczego Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 1. Obliczyć ilość środka pianotwórczego Deteor 1000M (stężenie robocze 3%) potrzebną do wytworzenia warstwy piany o grubości 20 cm w zbiorniku o średnicy 20 m, jeśli sprzęt pianotwórczy podaje pianę o Ls = 15. • Obliczamy objętość piany w warstwie: πd 2 3,14 ⋅ 20 2 h= • V piany = S ⋅ h = ⋅ 0,2 = 62,8m 3 4 4 • Obliczamy objętość roztworu pianotwórczego potrzebną do wytworzenia tej objętości piany, jeśli liczba spienienia wynosi 15: V piany 62,8 • Vroztw = = = 4,19m 3 LS 15 • Obliczamy objętość środka pianotwórczego potrzebnego do wytworzenia 4,19 m3 roztworu: • Vśrodka = crobocze ⋅ Vroztw = 0,03 ⋅ 4,19 = 0,126 m 3 = 126 dm 3 2. Obliczyć czas wytwarzania 20 cm warstwy piany w zbiorniku o średnicy 20 m przy użyciu dwóch działek DWP-24 podających pianę o Ls = 15. • Objętość warstwy piany w zbiorniku wynosi: πd 2 3,14 ⋅ 20 2 h= ⋅ 0,2 = 62,8m 3 4 4 • Do wytworzenia tej objętości piany potrzebna była objętość roztworu: V piany 62,8 Vroztw = = = 4,19m 3 LS 15 • Wydajność nominalna działka DWP-24 wynosi 2400 dm3/min, więc cza podawania 4,19 m3 roztworu wyniósł: V 4,19 czas = roztw = = 0,873 min = 52,4s 2 ⋅ 2,4 4,8 V piany = S ⋅ h = 3. Krytyczną intensywność podawania wody prądem rozproszonym dla pożarów grupy A można ocenić na 0,3 dm3/m2 min. Jaka jest największa powierzchnia pożaru tej grupy, który można na pewno ugasić przy użyciu dwóch prądów wody 150 dm3/min? • Podawanie środka gaśniczego z intensywnością krytyczną pozwala tylko na kontrolowanie pożaru (patrz wykres czas gaszenia – intensywność podawania; czas gaszenia przy Ikryt jest nieskończenie długi). Zgaszenie pożaru w określonym czasie wymaga większej niż krytyczna intensywności podawania środka. Dla rozproszonych prądów wody należy przyjąć praktyczną intensywność podawania przynajmniej dziesięciokrotnie wyższą: Iprakt = Ikryt · 10 = 0,3 · 10 = 3 dm3/m2·min • Podając wodę z szybkością 300 dm3/min możemy więc zgasić pożar o powierzchni: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 F= * Vwody I prakt = 300 = 100 m2 3 4. Krytyczna intensywność podawania piany typu AFFF przy gaszeniu pożaru oleju napędowego wynosi 2,0 dm3(roztw.)/m2 min. Jaka jest największa powierzchnia rozlewiska oleju, przy której można być pewnym zgaszenia tego pożaru, jeśli dysponujemy dwoma prądami pianowymi z prądownic PP 2/15? • Podawanie środka gaśniczego z intensywnością krytyczną pozwala tylko na kontrolowanie pożaru (patrz wykres czas gaszenia – intensywność podawania; czas gaszenia przy Ikryt jest nieskończenie długi). Zgaszenie pożaru w określonym czasie wymaga większej niż krytyczna intensywności podawania środka. Dla prądów piany typu AFFF należy przyjąć praktyczną intensywność podawania co najmniej 4 dm3/m2·min (patrz skrypt „Zastosowanie pian do gaszenia pożarów“, str. 74 – 76), a więc maksymalna powierzchnia rozlewiska wynosi: * 2 ⋅ Vroztw 2 ⋅ 200 F= = = 100 m2 4 I prakt 5. Obliczyć grubość warstwy piany, którą można wytworzyć w zbiorniku o powierzchni 300 m2, mając do dyspozycji samochód gaśniczy z 2,5 m3 wody i 100 dm3 środka pianotwórczego Roteor (stężenie robocze 3 %) oraz prądownice PP 2/15. • Wykorzystanie 100 dm3 koncentratu środka stosowanego przy stężeniu 3 % pozwala wytworzyć 3333 dm3 roztworu, a więc potrzebna ilość wody wynosiłaby 3233 dm3. W danym przypadku ilość wykorzystanego koncentratu środka pianotwórczego, przy całkowitym zużyciu wody z samochodu, można obliczyć na podstawie definicji stężenia objętościowego c: Vśrodka c= , Vwody + Vśrodka a po przekształceniu: 0,03 c Vśrodka = Vwody ⋅ = 2500 ⋅ = 77,3 dm3 1− c 1 − 0,03 • Objętość roztworu pianotwórczego, jaką można podać, wynosi więc 2577,3 dm3. Mając do dyspozycji syntetyczny środek pianotwórczy, można przyjąć, że piana osiąga nominalną dla zastosowanych prądownic liczbę spienienia 15. Wtedy objętość wytworzonej piany wyniesie: V piany = Ls ⋅ Vroztw = 15 ⋅ 2577,3 = 38659,5 dm3 = 38,66 m3. Grubość warstwy piany w zbiorniku o powierzchni S = 300 m2 wyniosłaby: h= V piany S = 38,66 = 0,129 m = 12,9 cm. 300 Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 • W warunkach rzeczywistych liczba spienienia pian wytwarzanych z roztworów środków syntetycznych przy użyciu prądownic podanego typu rzadko przekracza 10. Bezpieczniej jest więc przyjąć objętość piany równą 10 · 2,5773 = 25,77 m3. W ty przypadku grubość warstwy piany wyniosłaby: V piany 25,77 h= = = 0,086 m = 8,6 cm. S 300 6. Jaką powierzchnię rozlewiska oleju opałowego można pokryć 10 cm warstwą piany z prądownic PP 2/15 dysponując samochodem gaśniczym z 3,0 m3 wody i 150 dm3 środka pianotwórczego typu FP (stężenie robocze 6 %)? • 150 dm3 środka przy zachowaniu stężenia 6 % obj. pozwala na uzyskanie Vroztw = Vśrodka 150 = = 2500 dm3 = 2,5 m3 roztworu. 0,06 0,06 W tym przypadku wody wystarczy do całkowitego wykorzystania środka pianotwórczego. • Przy zastosowaniu środka typu FP nie można założyć, że powstająca piana osiąga nominalną liczbę spienienia 15. W warunkach rzeczywistych liczba spieniania w tym przypadku rzadko przekracza 6. Objętość piany należy więc obliczyć: V piany = Ls ⋅ Vroztw = 6 ⋅ 2,5 = 15 m3 powierzchnia rozlewiska, którą można pokryć 10 cm warstwa piany wynosi więc: S= V piany h = 15 = 150 m2. 0,1 6.3. Obliczanie zapotrzebowania gazu gaśniczego 1. Obliczyć minimalne zapotrzebowanie w kg gazu CF3CHFCF3 (zamiennik halonu), do wytworzenia w pomieszczeniu o kubaturze 200 m3 stężenia 7 % obj. przy temperaturze 23 oC. Masa molowa gazu M = 170 kg/kmol. • Minimalne zapotrzebowanie gazu potrzebne do osiągnięcia założonego stężenia c odpowiada wypełnianiu bez strat, cała ilość gazu pozostaje w pomieszczeniu. Minimalne zapotrzebowanie liczone na jednostkę objętości pomieszczenia obliczamy z zależności wyprowadzonej dla modelu bez strat jako: c Wmin = = c ⋅ ρ υ • Gęstość gazu o masie molowej 170 kg/kmol obliczamy na podstawie zależności wyprowadzonej z prawa gazów doskonałych: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 ρ= • 1⋅170 p⋅M = = 7,00 kg/ m3 R ⋅ T 0,082 ⋅ 296 Minimalne zapotrzebowanie gazu dla danej kubatury obliczamy jako iloczyn Wmin i objętości pomieszczenia: mmin = Wmin ⋅ V = c ⋅ ρ ⋅V = 0,07 ⋅ 7,00 ⋅ 200 = 98,06 kg. 2. Jakie największe stężenie gazu CF3CHFCF3 (zamiennik halonu) można uzyskać w pomieszczeniu o kubaturze 200 m3 przy temperaturze 23 oC, zużywając 150 kg gazu? Masa molowa gazu M = 170 kg/kmol. • Największe stężenie odpowiada pozostaniu całej ilości gazu w pomieszczeniu, czyli wypełnianiu bez strat. stężenie objętościowe obliczymy jako: c= • V pomieszcz = m ⋅υ 200 Objętość właściwą gazu o masie molowej 170 kg/kmol obliczamy na podstawie zależności wyprowadzonej z prawa gazów doskonałych: υ= • V gazu R ⋅ T 0,082 ⋅ 296 = = 0,143 m3/kg p⋅M 1 ⋅170 Maksymalne stężenie przy wprowadzeniu 150 kg gazu do pomieszczenia o objętości 200 m3 wyniesie więc: 150 ⋅ 0,143 cmax = = 0,107 = 10,7 % 200 3. Gęstość dwutlenku węgla w warunkach wypełniania pomieszczenia o kubaturze 500 m3 wynosi 1,8 kg/m3. Obliczyć zapotrzebowanie gazu w kg dla modelu wentylacji swobodnej, jeśli trzeba uzyskać stężenie 35 % obj. • Zapotrzebowanie liczone na jednostkę objętości dla modelu wentylacji swobodnej (naturalnej) wyprowadzamy z zależności stężenia od czasu wypełniania: c = 1− e • Vs ⋅τ V = 1 − e −W ⋅υ Po przekształceniach otrzymamy: W= • − 1 1 1 ⋅ ln = ρ ⋅ ln υ 1− c 1− c Całkowite zużycie środka w kg wyniesie: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 m = V ⋅ W = V ⋅ ρ ⋅ ln 1 1 = 500 ⋅1,8 ⋅ ln = 387,7 kg 1− c 1 − 0,35 4. Gęstość gazu C4F10 w warunkach wypełniania pomieszczenia o kubaturze 200 m3 wynosi 9,5 kg/m3. Obliczyć zapotrzebowanie gazu w kg dla modelu jednokrotnego wypływu, jeśli trzeba uzyskać stężenie 8 % obj. • Zapotrzebowanie liczone na jednostkę objętości dla jednokrotnego wypływu wynosi: W= • c ρ ⋅ c 9,5 ⋅ 0,08 = = = 0,826 kg/m3. υ (1 − c ) 1 − c 1 − 0,08 Całkowite zapotrzebowanie dla pomieszczenia o objętości 200 m3 wynosi: m = W ⋅ V = 200 ⋅ 0,826 = 165,2 kg. 5. Obliczyć stosunek minimalnego zapotrzebowania Wmin dwutlenku węgla (gęstość 1,8 kg/m3, stężenie projektowe 34 % obj.) oraz C4F10 (gęstość 9,5 kg/m3, stężenie projektowe 7 % obj.). • Zapotrzebowanie minimalne, czyli obliczone przy założeniu braku strat środka, obliczamy jako: c Wmin = = c ⋅ ρ υ • Stosunek zapotrzebowania CO2 do zapotrzebowania C4F10 wynosi więc: WCO 2 CCO 2 ⋅ ρ CO 2 0,34 ⋅1,8 = = = 0,92 WCF CCF ⋅ ρ CF 0,07 ⋅ 9,5 6. Gęstość dwutlenku węgla w warunkach wypełniania pomieszczenia o kubaturze 2000 m3 wynosi 1,8 kg/m3, a gęstość CF3CHFCF3 7,0 kg/m3. Ile razy większe będzie zapotrzebowanie CO2 (stężenie projektowe 34 % obj.) od zapotrzebowania CF3CHFCF3 (stężenie projektowe 7 % obj.), dla modelu jednokrotnego wypływu? • Zapotrzebowanie liczone na jednostkę objętości dla modelu jednokrotnego wypływu wynosi: W= • c ρ ⋅c = υ (1 − c ) 1 − c Stosunek zapotrzebowania CO2 do zapotrzebowania CF3CHFCF3 obliczamy jako: Materiały do wykładu „Środki gaśnicze i neutralizujące” USM 19 WCO 2 ρ CO 2 ⋅ cCO 2 ⋅ (1 − cCF ) 1,8 ⋅ 0,34 ⋅ 0,93 = = = 1,76 WCF ρ CF ⋅ cCF ⋅ (1 − cCO 2 ) 7,0 ⋅ 0,07 ⋅ 0,66