К.т.н. доцент Кабанов О.В., магистр Рамазанова Э.М.
Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.
Вавилова, Россия
Основы процесса получения перегретой воды для тушения пожаров.
В настоящее время 95% пожаров тушатся водой и
постоянно расширяется применение распыленных струй, что способствует повышению
эффективности при тушении пожаров, т.к. она используется в виде
тонкораспыленной струи, и образуется при адиабатном вскипании самоиспаряющейся
(перегретой) воды.
Многочисленные исследования показали, что
имеются значительные резервы, связанные с применением тонкораспыленного распыла
аэрозольного типа с использованием перегретой воды, где при практическом
применении отмечается ее высокая тушащая способность, носящая комплексный
характер.
Распыливание жидкости – это процесс
диспергирования жидкости в газовую (воздушную) среду. Гидравлическое
распыливание осуществляется за счет свободного распада струи, вытекающей с
большой скоростью из соплового отверстия распылителя. Сущность способа заключается
в том, что пресная вода вследствие ее нагревания до высоких температур под
большим давлением изменяет свои свойства. После возвращения к обычным условиям
такая вода находится некоторое время в особом, так называемом, метастабильном
состоянии, которые возникают при затрудненности перехода из одного устойчивого
равновесного состояния в другое, сопровождаются (скачкообразностью изменения
теплофизических функций), не являются равновесными, не зависит от времени и
остаются постоянными до тех пор, пока в системе случайным образом не возникает
зародыш новой фазы определенных размеров, при которых начинается рост новой
фазы.
Жидкость имеет следующие метастабильные
состояния: переохлажденная жидкость; перегретая жидкость; растянутая жидкость.
Жидкость в метастабильном состоянии называют еще
и перегретой, т.к. ее температура при заданном внешнем давлении выше
температуры кипения. Для возникновения кипения необходимо, чтобы в жидкости
имелись центры парообразования, если их удалить, то кипение не возникает, даже
при нагреве выше температуры кипения.
Воду тщательно освобожденную от воздуха, при атмосферном давлении можно
нагреть не вызывая кипения, почти до 200˚С. Жидкость в таком состоянии
называется перегретой по отношению линии насыщения при атмосферном давлении и
состояние не является устойчивым. Закипание перегретой жидкости может произойти
как с внесением, так и без внесения примесей.
Сибирские ученые Ф.А. Летников и Т.В. Кащеева
нагревали обессоленную воду до температуры 200, 300, 400, 500 ˚С при избыточных
давлениях 0,1; 8,8; 39,0 и 80,0 МПа. После возвращения к обычным условиям такая
вода находится некоторое время в особом, так называемом, метастабильном
состоянии, проявляющемся в повышенной растворяющей способности карбонатов,
сульфатов и других соединений, в способности длительно удерживать в своем
составе аномальные количества растворенного вещества и значительно повышать
кислотность. Такая вода названа активированной, а сам процесс – температурной
активацией. [1]
В.В. Роенко и В. А. Пряничников провели исследования и разработали способ получения
струй ТАВ, физическая сущность, которой сводится к подаче воды с расходом от
0,4 до 2,0 л/с под большим давлением(от 1,6 до 10,0 М Па). В теплообменнике
сначала вода нагревается до температуры 160-280˚С (такую воду еще называют недогретой, поскольку
температура жидкости меньше температуры насыщения при заданном давлении), затем
недогретая вода подается к специальным стволам распылителям, где она за
считанные доли секунды (10-4 -10-9) переходит в
метастабильное состоянии. В таком состоянии жидкость еще называют перегретой,
имея в виду, что ее температура при заданном внешнем давлении выше температуры
кипения. Этому определению адекватно определение перегретой жидкости, как
находящейся под давлением ниже давления ее насыщенных паров.
Однокомпонентная молекулярная система может
распадаться на две фазы – жидкость и пар. Если эти фазы имеют большие размеры,
то поверхностной энергией можно пренебречь по сравнению с объемной энергией, а
температура фазового равновесия (Тs) является только
функцией давления (Р)[3] или линия насыщения определяется равенством химических
потенциалов фаз.[3]
N'(Т,Р)=N''(T,P),
где одним штрихом отмечены внешний относящиеся к
жидкости, двумя штрихами- к пару. Для вещества находящегося в состоянии
перегретая жидкость, можно рассматривать устойчивость состояния относительно
таких изменений, которые приводят к образованию в системе большой массы со
свойствами пара.
Каждая фаза, взятая в отдельности, при
определенных условиях может существовать сколь угодно долго в метастабильном
состоянии. Однако наличие тепловой флуктуации молекул приводит к случайному
образованию достаточного объема конкурирующей фазы, чтобы метастабильное
состояние «развалилось» и фаза полностью сменилась на конкурирующую.
Важным отличием метастабильных фазовых состояний
от стабильных, является конечное время их существования (время жизни) и проведение исследований по определению
какого-либо свойства перегретой жидкости ограничено «временем жизни» метастабильного
состояния.
При этом увеличение перегрева метастабильной
фазы для ее развала достаточно все более малых объемов конкурирующей фазы, что
чрезвычайно затрудняет исследования динамики получения и диспергирования
жидкости в перегретом состоянии.
Так, условия практической реализации
метастабильных состояний определяется кинетикой появления и роста в системе
центров новой фазы. Вскипание перегретой жидкости является термодинамически
необратимым процессом, где на первой стадии возникают спонтанные зародыши пара
с радиусом больше критического. При истечении перегретой жидкости из замкнутого
объема в атмосферу сопровождается адиабатическим вскипанием, где внутренняя
энергия воды расходуется на испарение части жидкости, преодоление сил
поверхностного натяжения и работу сил расширения.
Струи перегретой воды эффективно осаждают дым и
уменьшают взрывоопасные концентрации газов и могут быть использованы для
тушения практически всех видов горючих веществ, которые не вступают в
химическую реакцию с водой с выделением большого количества тепла или горючих
газов, абсолютно безопасны для людей, способствуют быстрому уменьшению
температуры очага пожара, также полезны и для окружающей среды, так как расход
воды уменьшается в несколько раз, соответственно, и попадание продуктов горения
в атмосферу уменьшается.
Литература.
1. Летников Ф.А. Активированная вода [Текст]/
Ф.А. Летников, Т.В. Кащеева, А.Ш. Минуис.- Новосибирск: Наука, 1976
2. Скрипов В.Н. Теплофизические свойства
жидкостей в метастабильном состоянии. Скрипов В.П. [Текст]: справочник/ В.П.
Скрипов, Е.И. Синицын, П.А. Павлов [и др.] – М: Атомиздат, 1980-208с.
3. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость.- М:
Наука, 1990-349с.
4. Тетерин И.М. Температурно-активированная вода
– новая парадигма
развития техники пожаротушения// Средства
спасения: журнал каталог. – 2005.-44.