Физико-химические свойства и механизмы прекращения горения водой

Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее универсальных огнетушащих составов, применяемых при тушении пожаров. Она эффективна при тушении пожаров, связанных с горением веществ, находящихся во всех агрегатных состояниях. Ее с успехом используют при тушении горящих газов, пожаров легковоспламеняющихся жидкостей, горючих жидкостей, твердых горючих материалов.

Область применения воды может быть ограничена по следующим причинам:

- водой нельзя тушить горючие вещества и материалы, с которыми она вступает в интенсивное химическое взаимодействие с выделением тепла и горючих компонентов (щелочные, щелочноземельные металлы, карбид кальция и т.д.), а также кислоты и щелочи, с которыми вода бурно взаимодействует;

- нельзя тушить водой пожары с температурой 1800-2000^оС, т.к. при этом происходит сравнительно интенсивная диссоциация паров воды на кислород и водород, которые интенсифицируют процесс горения;

- водой нельзя тушить пожары, при которых ее применение не обеспечивает требуемых условий безопасности для личного состава (например, электроустановок, находящихся под высоким напряжением).

Во всех остальных случаях вода является надежным, эффективным и поэтому наиболее широко используемым средством тушения пожаров. Это объясняется наиболее удачным сочетанием физико-химических свойств с точки зрения требований к огнетушащим составам: относительно высокой термической устойчивостью, высокими теплоемкостью и теплотой испарения, относительной химической инертностью и т.д.

Вода, как огнетушащих состав, имеет свои недостатки. Сравнительно высокая температура замерзания и аномалия изменения плотности при замерзании сильно ограничивают ее использование при отрицательных температурах. Сравнительно малая вязкость и высокий коэффициент поверхностного натяжения ухудшают ее смачивающие способности и тем самым снижают коэффициент использования в процессе тушения.

Но низкая стоимость, широкая распространенность, простота использования, удобства хранения и транспортировки, простота и регулируемость подачи в зону горения, безопасность применения, хорошая растворяющая способность и другие положительные свойства в значительной степени компенсируют недостатки воды.

Вода – жидкость без цвета и запаха. Химическая формула – Н₂О.

Основные физические свойства воды:

- плотность r = 1000 кг/м³;

- температура замерзания t_зам = 0^оС;

- температура кипения t_кип = 100^оС;

- плотность насыщенного водяного пара при 100^оС и давлении 98,1×10³ Па r_п = 0,6 кг/м³;

- удельная теплоемкость жидкости с_ж = 4,19 кДж/(кг×К);

- удельная теплоемкость паров в диапазоне температур от 100 до 1000^оС с_р = 2,52 кДж/(кг×К);

- скрытая теплота парообразования r = 2260 кДж/кг;

- коэффициент поверхностного натяжения s_в = 7,25×10^-3 Н/м;

- коэффициент динамической вязкости m_в = 10^-3 (Н×м)/м²;

- удельная электрическая проводимость (чистой воды) при 20^оС 1/R = 400 Ом^-1×м^-1.

По механизму прекращения горения вода относится к категории охлаждающих огнетушащих средств [3].

Если в факел пламени подать тонкораспыленную воду, то значительная часть или почти вся вода испарится, отняв максимальное количество тепла. 1 л воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и нагревании паров до наименьшей температуры пламени, способен отнять от факела пламени 4860 кДж тепла. Если допустить, что вся вода, поданная в зону пламени, полностью испарится, то механизмы отвода тепла и механизм прекращения горения будут следующими:

- снижение температуры пламени из-за затрат тепла на нагревание капелек воды до температуры кипения:

q₁ = c_в×m_в×Dt = c_в× m_в×(t_кип – t_о);

- снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразование (на испарение):

q₂ = r×m_в;

- снижение температуры факела пламени за счет смешения паров воды при температуре 100 ^оС и реагентов в зоне реакции и затраты тепла на нагревание паров воды до температуры среды в зоне горения:

q₃ = c_р^в.п. × m_в ×Dt = c_р^в.п. × m_в × (t_пл – 100);

- разбавление компонентов горючей смеси в зоне химической реакции горения парами воды;

- изменение теплофизических свойств газовой среды в зоне горения: c_р^см; l_см и др.

Количество тепла, отводимое 1 кг воды, имеющей начальную температуру 20 ^оС, будет равно:

q₁ + q₂ + q₃ = c_в× m_в×(t_кип – t_о) + r×m_в + c_р^в.п. × m_в × (t_пл – 100) =

= 4,19×1× (100 – 20) + 2260×1 + 2,52×1× (1000-100) » 4860 кДж/кг,

т.е. 1 л воды, введенной в зону горения при полном ее испарении и нагревании паров до наименьшей температуры пламени, способен отнять от факела пламени 4860 кДж тепла.