онного проникновения спирта из смесевого топлива показан на (рис. 8.9.)

Рис. 8.9. Иллюстрация процесса разрушения изолирующих водных пленок в результате диффузионного проникновения спирта из смесевого топлива

Результаты измерения межфазного и поверхностного натяжения на границе водного раствора пенообразователя со смесевыми топливами показали, что этот параметр непрерывно меняется с момента образования границы раздела.

По-видимому, водный раствор постепенно экстрагирует спирт из его смеси с углеводородом, поэтому изменяется величина межфазного натяжения.

Анализ изотерм поверхностного и межфазного натяжения показывает, что по мере увеличения доли спирта в топливе, снижается величина межфазного натяжения и, при некоторых концентрациях, граница раздела фаз размывается. Как правило, эти составы наиболее активно разрушают пену, особенно при повышенных температурах.

Учитывая определяющую роль контактного разрушения в процессе подъема и растекания пены по поверхности горения, предложено полуэмпирическое соотношение, которое учитывает такие специфические параметры, как предельная концентрация утраты поверхностной активности, эквивалентная величина поверхностного натяжения и др.

Механизм проникновения паров горючего через слой пены может быть связан с образованием сквозных полостей в пене при локальном

разрушенрш пленок, которые непрерывно возникают и перемещаются по всей поверхности контакта пены с горючей жидкостью. Разрушение пенных пленок происходит в результате:

• образования в пенных каналах смеси спирта с раствором;

• растворения молекул фторированных ПАВ в смешанном растворителе;

• десорбции молекул стабилизатора с поверхности пенных пленок.

Чем выше концентрация спирта в смесевом топливе, тем быстрее протекают эти процессы, и тем выше удельная скорость контактного разрушения пены.

Устойчивость пены будет тем выше, чем больше поверхностная активность молекул пенообразователя в водно-спиртовом растворе. Необходима экспериментальная проверка поверхностной активности каждого пенообразователя в водно-спиртовой смеси.

По мере увеличения концентрации спирта в смеси, поверхностная активность пенообразователя снижается, а при концентрации 20% (об.), поверхностная активность утрачивается практически полностью. Предельное содержание неводного компонента в смеси, при которой утрачивается поверхностная активность молекул пенообразователя, может служить показателем агрессивности органических соединений к пене.

Удельная скорость контактного разрушения пены пропорциональна концентрации молекул спирта в поверхностном слое. При этом ее величина не соответствует объемным соотношениям компонентов смеси, а определяется их поверхностной активностью.

На основе экспериментального определения изотерм поверхностного натяжения бинарной системы гептан - ИПС было показано, что доля спирта в поверхностном слое смеси заметно ниже его объемной концентрации.

При содержании спирта в смеси 5,0% (об.), поверхностный слой содержит лишь 0,5% (об.) его молекул. Этим объясняется невысокая скорость контактного разрушения пены в смесях со значительной долей спирта. Нарастание скорости контактного разрушения пены происходит синхронно с ростом доли его молекул в поверхностном слое.

Известно [204], что термический распад пены происходит в результате десорбции молекул ПАВ в нагретом растворе с границы раздела пленка - воздух.

Величина предельной температуры, при которой утрачивается поверхностная активность, определяется природой ПАВ.

Фторсинтетические пенообразователи «Подслойный», «Мультипена» (Новороссийск), «FC-203», «Гидрал» и др. при нагревании их водного раствора до температуры кипения не утрачивают поверхностной активности. В этом случае пена разрушается в результате испарения воды от термического воздействия факела пламени.

Тепловой поток от факела пламени изменяется от максимальной величины, соответствующей условиям стационарного горения жидкости, до очень малых значений по мере покрытия поверхности горения пеной.

Величина удельной скорости термического разрушения пены также снижается в процессе тушения, по мере роста степени покрытия поверхности ГЖ пеной.

Количественная взаимосвязь удельной скорости термического разрушения пены со степенью покрытия поверхности горения дается в работе [206].

[/„=[/„(1-6), (8.7)

t/„= [/„„-ела- (8.8)

где - удельная скорость выгорания жидкости в стационарном режиме до начала тушения, кг-м с; Q.-удельная теплота нагревания и испарения ГЖ, Дж-кг; в - степень покрытия поверхности ГЖ пеной.

8.4. Анализ .материального дачанса пены в процессе тушения пламени смесевых топлив

Ниже представлено уравнение материального баланса пены, включающее: контактное поверхностное, контактное боковое и термическое разрушение пены. При этом учитывается зависимость удельной скорости термического разрушения от степени покрытия поверхности пеной:

gdt = [/„(1 - eyesdt + Ut + Vfidt + phS,de , (8.9) где в - степень покрытия поверхности горючей жидкости, в = S 5„; Sj, S„ - площади поверхности горючего и пены, соответственно, м;

h - средняя толщина пенного слоя, и; р - плотность пены, кгм; q - расход пены, кг-с"; [/ - удельная контактная скорость разрушения пены, кг-м"с"; t - время, с.

В результате решения дифференциального уравнения (8.9), с учетом 1раничных условий:

/ = 0, 0 = 0; t = tr, в=1, получена зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены: =[ph/(4UXJ - 5))"]arctg[([4 + [/„)/(4[/iJ - В)У"] , (8.10)

в = U,SJS„ + [/„/4 + UJ2 + [474[4. (8.11)

Для упрощения процедуры количественного анализа выражение (8.10) преобразовали, представив его первым членом ряда Маклорена. При этом относительная погрешность расчета для времен тушения не более 2 минут составит 15%.

/г =рЛ([/.+ [/„)/4[/ДЛ-В). (8.12)

Относительная средняя квадратичная погрешность измерений, рассчитанная из шести параллельных измерений, составляет 12%. Графическая иллюстрация представлена на (рис. 8.10.)

3001-z\-г;=-I-с-1-1

Рис. 8.10. Иллюстрация погрешности экспериментальных измерений времени тушения смесевого топлива гептан - изопропанол от интенсивности подачи пены из пенообразователя «Универсальный-П». Содержание спирта в смеси с октаном указано в процентах на диаграмме. Вертикальными стрелками указано 0.12 положение критической интенсивности подачи пены (J, а интервалом около экспериментальной точки представлена область погрешности измерений

0,02 0,04 0,0е 0,08 0,10 Интенсивность подачи пены, кг(м -с)

Сопоставление эффективности пенообразователей проводили по величине оптимальной и критической интенсивности тушения, а так-

же по удельным затратам пенообразователя на тушение единицы по-"! верхности. Указанные величины определяли на основе анализа диаграммы зависимости времени тушения от интенсивности подачи пены.

Принято, что интенсивность является оптимальной, ecjra ее применение обеспечивает максимально возможную, в заданных условиях, удельную скорость тушения. Следовательно, критерием оптимальности процесса здесь принята удельная скорость тушения.

Удельную скорость тушения-щ определяли по соотношению: Ur={SJrj)/m, (8.13)

где г J - время тушения, с; S„ - площадь поверхности горючего, м: т - масса пены, истраченная на тушение, кг.

Для графического определения оптимальной интенсивности тушения на диаграмме зависимости удельной скорости тушения-и от интенсивности подачи пены -J, находят максимум, а его проек ция на ось абсцисс указывает на величину оптимальной интенсивности.

На рис. 8. 11 представлены диаграммы зависимости удельного расхода пенообразователя на тушение единицы поверхности и удельной скорости тушения.

3001-3-- I п I -•--1-,21

Рис. 8.11. Зависимость времени тушения смесевого топлива с содержанием полярных растворителей (от 0% до 20% ИПС) и расхода водного раствора пенообразователя «Универсальный» ( Q, Q, Q, от интенсивности по-, дачи пены

JEtiteEtU-1(,

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Интенсивность по/]ачи пены, кг(№-с)

Экспериментально полученные кривые, отображающие зависи- мость времени тушения от интенсивности подачи пены, имеют традиционный вид гипербол, левая часть которых резко поднимается в область больших времен, при определенной интенсивности подачи пены. Эта интенсивность называется критической, поскольку тушение мо-

жет произойти только теоретически и за бесконечно большой отрезок времени. Здесь скорость разрушения пены практически равна скорости ее подачи.

По мере увеличения интенсивности подачи пены время тушения пламени снижается, но достигнув определенной величины, остается далее практически неизменной. Это объясняется, с одной стороны - низкой сдвиговой прочностью пенной структуры, а с другой - высокой вязкостью пены.

При сильном нажиме на слой пены происходит движение массы вверх, а не вперед. При высокой интенсивности увеличивается средняя толщина слоя пены, т. е. часть пены расходуется бесполезно.

Пена, вместо того чтобы продвигаться вперед, начинает резко увеличивать свою толщину, в том месте, где ее подают.

Удельные затраты пены на тушение единицы поверхности зеркала горючего - Q определяли по формуле:

Q = Jr. (8.14)

Кривые расхода пены имеют экстремальный характер, т. е. первоначально с ростом интенсивности удельный расход пены снижается, достигая минимума при некоторой интенсивности, но далее удельный расход пены нарастает, т. е. затраты пены становятся больше, несмотря на увеличение интенсивности.

Кривая удельной скорости тушения проходит через максимум, положение которого всегда правее точки минимума на кривой удельного расхода, поэтому значения оптимальной интенсивности, определенные по критерию максимальной скорости тушения на 20- 30% больше, чем, если его определять по положению минимума на кривой удельного расхода пенообразователя.

Примеры анализа результатов огневых экспериментов для одного пенообразователя представлены в табл. 8. 1. При концентрации спирта менее пяти процентов характер тушения практически не меняется, но превышение этого предела резко сказывается на устойчивости пены.

Наиболее отчетливо это влияние прослеживается на примере пенообразователя «Универсальный». Аналогичные результаты получены для всех исследованных в данной работе фторсинтетических пенообразователей.