Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
1
Szkoła Główna Słu
żby Pożarniczej
Zakład
Środków Gaśniczych
Instrukcja do
ćwiczenia
„Piany lekkie i
średnie”
SGSP Warszawa 2013 r.
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
2
Wst
ęp
Zastosowanie pian gaśniczych w działaniach gaśniczych, zwłaszcza przy zagrożeniach z
paliwami płynnymi, opiera się głównie na pianach ciężkich. Pozwalają one na skuteczne
gaszenie pożarów rozlewisk cieczy i pożarów w zbiornikach. Piany ciężkie można podawać
na duże odległości, zwłaszcza z działek pianowych. Sprzęt do wytwarzania pian średnich i
lekkich umożliwia natomiast podawanie dużych ilości piany z niewielkim zasięgiem. Piany
ś
rednie mogą służyć do szybkiego pokrywania dużych rozlewisk cieczy palnych lub
wypełniania tuneli kablowych bądź technologicznych. Piany lekkie służą wyłącznie do
wypełniania i gaszenia pożarów w pomieszczeniach wielkokubaturowych np. halach,
piwnicach, garażach, także jako stałe urządzenia gaśnicze. Zastosowanie pian lekkich na
otwartej przestrzeni jest ograniczone. Piany lekkie są nieodporne na działanie warunków
atmosferycznych, zwłaszcza wiatru. Także zastosowanie pian lekkich do gaszenia pożarów
cieczy jest limitowane. Piany te posiadają zbyt małą odporność termiczną. Z łatwością będą
niszczone przez płomienie. W wielu stałych urządzeniach gaśniczych na pianę lekką stosuje
się dodatkowo wodne urządzenia tryskaczowe lub zraszaczowe, które mają zwiększyć
działanie chłodzące piany.
Rys. 1 Przewo
źny agregat piany lekkiej.
Wytwarzanie pian
średnich i lekkich
Piany ciężkie (o liczbie spienienia do 20) powstają poprzez turbulentne mieszanie wodnego
roztworu środka pianotwórczego z powietrzem w komorze mieszania. Wodny roztwór środka
pianotwórczego doprowadzany jest do dyszy rozpylającej, skąd wypływając z dużą
szybkością wytwarza podciśnienie, co powoduje zassanie powietrza, które mieszając się
energicznie z roztworem tworzy pianę. W końcowym fragmencie rury prądownicy piana
ulega ujednorodnieniu (długość rury ma bardzo istotny wpływ na jednorodność piany) i
wypływa zwartym strumieniem.
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
3
Piany średnie (o liczbie spienienia do 200) wytwarzane są w wytwornicach. Wodny roztwór
ś
rodka pianotwórczego, podobnie jak w przypadku prądownic pianowych, wypływając z
dyszy zasysa powietrze wskutek wytworzonego podciśnienia. Mieszanina roztworu i
powietrza trafia na siatkę, na której następuje spienianie.
Do wytwarzania pian lekkich (liczba spienienia powyżej 200) służą generatory i agregaty
piany lekkiej. Istota powstawania pian jest tu taka sama jak w wytwornicach – spienianie
zachodzi na siatkach. Zasadnicza różnica polega na tym, że powietrze niezbędne do
wytworzenia piany doprowadzane jest do rozpylonego strumienia roztworu za pomocą
wentylatora. Uzyskanie optymalnej wydajności pianowej wymaga odpowiedniego doboru
dysz, rozmiaru oczek siatki, kształtu i liczby siatek, sposobu doprowadzania powietrza, a
także właściwego środka pianotwórczego. Istotny wpływ ma także rodzaj wentylatora, a
ś
ciślej jego wydajność. Jeżeli szybkość przepływającego powietrza przed siatką jest mała,
otrzymuje się pianę słabej jakości. Gdy zaś szybkość powietrza jest zbyt duża, strumień
wytworzonej piany jest niejednorodny bądź też piana nie powstaje (następuje tzw. zrywanie
piany).
Rys. 2 Sprz
ęt do wytwarzania pian gaśniczych
Powstawanie piany na siatce
Zasada powstawania piany średniej w wytwornicach i lekkiej w agregatach jest jednakowa.
Powstaje ona na siatkach pokrytych rozpylonym roztworem środka pianotwórczego. Różnica
polega tylko na sposobie doprowadzania powietrza. Roztwór miesza się z przepływającym
powietrzem i po przejściu przez siatkę tworzy pęcherzyki, które wypływają w formie ciągłego
strumienia.
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
4
Mechanizm powstawania piany na oczku siatki może być różnorodny, przy czym
podstawowym sposobem jest tworzenie jednego pęcherzyka piany z jednej kropli roztworu.
Schemat tego procesu pokazano na rys. 3. Strumień powietrza i kropel roztworu płynie w
kierunku oczka siatki i zatrzymuje się na nim. Strumień powietrza, trafiając na zamknięte
przez kroplę oczko, wytraca prędkość. Wskutek tego ciśnienie zwiększa się i kropla zaczyna
odkształcać. Odkształcanie kropli i pęcherzyka trwa do momentu, gdy na oczko siatki trafi
następna kropla. W podobny sposób tworzy się następny pęcherzyk i kolejne.
Rys. 3 Powstawanie piany na siatce
Rys. 4 Warunkiem powstawania piany na siatce jest jej odpowiedni dobór i stan
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
5
Warunki tworzenia si
ę piany na siatce
Każdy agregat piany ma optymalny zakres pracy, charakteryzowany szybkością przepływu
powietrza, intensywnością oroszenia oraz stopniem rozpylenia roztworu, przy określonej
wielkości oczek siatki. W tym optymalnym zakresie piana wypływa z agregatu w sposób
ciągły jest jednorodna pod względem wielkości pęcherzyków, a jednocześnie wydajność
pianowa agregatu jest zbliżona do teoretycznej, co oznacza, że cała objętość dostarczanego
powietrza jest zamknięta w pęcherzykach piany. Przy większych szybkościach powietrza
dochodzi do naruszenia ciągłości strumienia piany za siatką, część powietrza nie wchodzi w
jej skład, co powoduje zmniejszenie liczby spienienia i wydajności pianowej. Po
przekroczeniu pewnej granicznej prędkości proces tworzenia piany ustaje. Zjawisko
przerywania ciągłości strumienia piany nazywamy zrywaniem piany. Tłumaczy się to
następująco: powstanie pęcherzyka piany uwarunkowane jest wytworzeniem warstewki
adsorpcyjnej związku powierzchniowo-czynnego (ZPC, będącego podstawowym składnikiem
koncentratów pianotwórczych) na granicy faz ciecz-gaz (rys. 5). Dyfuzja, czyli przepływ
cząsteczek ZPC do powierzchni międzyfazowej (granicy faz) wymaga określonego czasu.
Jeżeli przy tworzeniu pęcherzyków piany na powierzchni międzyfazowej jest zbyt mało
cząsteczek ZPC, to piana albo nie powstaje, albo jej jakość jest tak niska, że łatwo ulega ona
zniszczeniu. Dlatego szybkość zwiększania powierzchni pęcherzyków (szybkość przepływu
powietrza) powinna być dostosowana do szybkości dyfuzji ZPC do granicy faz.
Rys. 5 Tworzenie p
ęcherzyka piany i warstwy adsorpcyjnej ZPC
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
6
Środki pianotwórcze do wytwarzania pian średnich i lekkich
Zdolnością do wytwarzania pian średnich, a przede wszystkim lekkich, charakteryzują się
tylko niektóre grupy środków pianotwórczych. W praktyce pianę średnią, zwłaszcza o
liczbach spienienia powyżej 50, oraz pianę lekką można otrzymać wyłącznie stosując środki
pianotwórcze typu S. Dlatego też używa się wobec nich określenia: uniwersalne, także z
powodu dobrych własności zwilżających materiałów stałych. Zdolność tę posiada także mała
grupa środków typu AFFF-AR. Wielu producentów natomiast oferuje środki pianotwórcze
innych typów (np. FP, AFFF, AFFF-AR), które można stosować do wytwarzania pian
ś
rednich. W każdym indywidualnym przypadku informacja o możliwości stosowania danego
preparatu do wytwarzania pian średnich i ewentualnie lekkich powinna być umieszczona na
etykiecie opakowania środka pianotwórczego. Zdecydowana większość oferowanych na
rynku środków pianotwórczych typu AFFF, P, FP i FFFP przeznaczona jest wyłącznie do
wytwarzania pian ciężkich. Ten rodzaj piany jest podstawowym środkiem gaśniczym
stosowanym do gaszenia pożarów cieczy. Kompozycje ZPC oraz innych składników (pod
względem ilościowym i jakościowym) stosowane w tego typu koncentratach mają za zadanie,
przy zapewnieniu niewysokiej aczkolwiek optymalnej zdolności pianotwórczej, nadać pianie
inne szczególne i niezbędne cechy np. dobrą płynność, zdolność tworzenia filmu wodnego,
odporność na niszczące działanie cieczy tzw. „polarnych” czy wysokiej temperatury.
Zdolność do wytwarzania pian o wysokim stopniu spienienia w tym przypadku nie jest
pożądana.
Piany
średnie i lekkie a norma PN-EN 1568
Wymagania techniczne dla środków pianotwórczych przeznaczonych do wytwarzania pian
ciężkich, średnich i lekkich zawierają kolejne części normy PN-EN 1568 Środki gaśnicze.
Ś
rodki pianotwórcze. Norma ta podzielona jest na cztery części, z których część pierwsza
dotyczy środków pianotwórczych przeznaczonych do wytwarzania pian średnich do
podawania powierzchniowego na ciecze nie mieszające się z wodą (PN-EN 1568-1), a część
druga dotyczy środków pianotwórczych przeznaczonych do wytwarzania pian lekkich do
podawania powierzchniowego na ciecze nie mieszające się z wodą (PN-EN 1568-2).
Pozostałe części normy (trzecia i czwarta) dotyczą pian ciężkich.
Ś
rodki pianotwórcze nie muszą spełniać wymagań wszystkich części normy PN-EN 1568.
Większość środków pianotwórczych oferowanych na rynku przeznaczona jest wyłącznie do
wytwarzania pian ciężkich i spełnia wymagania części trzeciej i/lub czwartej normy PN-EN
1568.
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
7
Stanowisko badawcze
Schemat działania laboratoryjnego generatora piany lekkiej przedstawiono na rysunku 6.
Cylindryczny, wykonany z przezroczystego tworzywa generator składa się z komory
doprowadzania powietrza i roztworu, siatki na której powstaje piana i rury odprowadzającej
pianę. Roztwór środka pianotwórczego zasysany jest ze zbiorniczka i podawany przez dyszę
na siatkę. Wydajność podawanego roztworu regulowana jest poprzez ustawienie
odpowiedniej wielkości napięcia zasilania silnika pompki roztworu. Powietrze doprowadzane
jest do komory mieszania z instalacji na sprężone powietrze. Wydajność podawanego
powietrza regulowana jest poprzez zawór iglicowy znajdujący się przy rotametrze.
Regulacja wydatków roztworu i powietrza, a także wymienność siatek spieniających stwarza
możliwość uzyskiwania pian w szerokim zakresie liczb spienienia i o różnej dyspersji.
Obszar pracy generatora charakteryzowany jest zakresem wydajności powietrza i roztworu
ś
rodka pianotwórczego, dla których powstająca piana jest jednorodna, a wydajność pianowa
generatora zbliżona do teoretycznej. Obszar pracy zmienia się przy zmianie siatki
spieniającej, zależy także od stężenia środka pianotwórczego w roztworze. Przy stałym
stężeniu roztworu optymalny zakres wydajności pianowej generatora zależny jest od
intensywności oraszania siatki, a zatem od wydajności roztworu. Ze wzrostem wydajności
roztworu zwiększa się zakres wydajności powietrza, przy którym otrzymuje się jednorodną
pianę z dobrą wydajnością. Dolna granica zakresu wydajności roztworu zależna jest od
stopnia jednorodności rozpylanego roztworu, który powinien tworzyć pełny stożek. Zależy to
od budowy dyszy rozpylającej.
1 – generator piany
2 – komora doprowadzania roztworu i powietrza
3 – komora mieszania powietrza z roztworem
4 – komora odprowadzania piany
5 – dysza
6 – siatka
7 – rura odprowadzająca pianę
8 – pompka roztworu środka pianotwórczego
9 – zbiornik roztworu
10 – sprężone powietrze
11 – rotametry
Rys. 6 Stanowisko do wytwarzania pian lekkich
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
8
Wykonanie
ćwiczenia
Określenie obszaru pracy generatora wymaga długotrwałych badań. W trakcie jednych zajęć
laboratoryjnych można jedynie dokonać prób w niewielkim wycinku obszaru pracy. Celem
zajęć jest więc zapoznanie się z najbardziej charakterystycznymi parametrami i
właściwościami różnych typów środków pianotwórczych, od których zależy sprawność
generatora. Wyznaczane będą:
- wydajności pianowe: rzeczywista i teoretyczna;
- liczba spienienia: rzeczywista i teoretyczna;
- sprawność pracy generatora.
Na ich podstawie określić można maksymalną i optymalną wydajność pianową generatora.
Chcąc wyznaczyć wydajność pianową generatora, liczbę spienienia otrzymywanej piany i
sprawność pracy generatora w zależności od wydajności roztworu i wydajności powietrza
należy:
1. Sporządzić roztwór wybranego środka pianotwórczego o zadanym stężeniu i temperaturze i
wlać do zbiornika.
2. Nastawić odpowiednie napięcie zasilania pompki roztworu.
3. Włączyć pompkę roztworu i odczekać, aż jego przepływ ustabilizuje się (kilka sekund).
4. Otworzyć zawór odcinający dopływ powietrza przy rotametrze i ustawić przepływ (Q
pow
)
na zadanym poziomie (np. 1000 l/h).
5. Jeżeli piana tworzy się, po ustabilizowaniu się strumienia piany, należy podstawić pod rurę
generatora zważone uprzednio wiaderko do odbioru piany, notując jednocześnie czas
napełniania wiaderka. W chwili początkowej pobierania piany rura powinna sięgać niemal
dna naczynia. W miarę napełniania wiaderka należy je stopniowo opuszczać, tak, aby
zapobiec powstawaniu pustych przestrzeni, co jest szczególnie ważne przy wyższych
wydajnościach podawania powietrza. Po napełnieniu wiaderka (po jego koronę) należy
wyłączyć pompkę roztworu i zamknąć zawór powietrza przy rotametrze.
6. Zważyć naczynie z pianą.
7. Pomiary przeprowadzić należy analogicznie dla całego zakresu wydajności powietrza
możliwych do uzyskania na zamontowanym rotametrze przy niezmiennej wydajności
podawania roztworu środka pianotwórczego. Wydajność powietrza należy zwiększać co
każde 500 lub 1000 l/h, aż do wielkości, przy której na siatce przestaje powstawać piana.
8. Po zakończeniu cyklu pomiarów do zbiornika należy nalać wody i przepłukać cały układ.
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
9
Tabela pomiarów:
Q
pow
[l/h]
m
p
[g]
t [s]
uwagi
1000
1500
np. piana jednorodna
2000
np. piana nie powstaje
...
np. zrywanie piany
Ponadto zanotuj:
- objętość naczynia do pobierania piany - V
N
;
- nazwę, typ i stężenie środka pianotwórczego;
- temperaturę roztworu;
- temperaturę powietrza.
Opracowanie wyników
1. Wydajność wodna generatora piany (wydajność roztworu) - (Q
R
)
Wydajność wodnego roztworu środka pianotwórczego podawanego na siatkę można odczytać
z rotametru zamontowanego na przewodzie doprowadzającym roztwór (jeśli jest
zamontowany). Dokładniejszą metodą wyznaczania wydajności jest jednak określenie
rzeczywistej objętości roztworu lub wody, która w zmierzonym czasie została zebrana w
naczyniu pomiarowym. W tym celu przed przystąpieniem do wytwarzania pian należy wlać
wodę (bez dodatku środka pianotwórczego) do zbiornika i uruchomić pompkę roztworu
ustawiając odpowiednie napięcie zasilania silniczka pompy – takie samo jakie będzie
wykorzystane przy pomiarach. Następnie należy pod wylot rury pianowej podstawić zlewkę i
przez około 30 s odbierać wodę mierząc dokładnie czas napełniania. Pomiar należy
powtórzyć dwukrotnie. Zakładamy, że gęstość roztworu jest równa gęstości wody: ρ
R
= ρ
w
.
t
m
t
V
Q
R
R
R
R
ρ
/
=
=
2. Praktyczna wydajność pianowa generatora
Wydajność pianowa praktyczna to stosunek objętości piany (V
P
) do czasu jej wytwarzania (t).
W przypadku napełniania pianą odpowiedniego naczynia: V
P
=V
N
.
t
V
Q
P
P
=
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
10
3. Teoretyczna wydajność pianowa
R
pow
teor
P
Q
Q
Q
+
=
−
Dla dużych Q
pow
w porównaniu z Q
R
można przyjąć Q
P-teor
=Q
pow
4. Praktyczna liczby spienienia
R
P
N
R
P
S
m
V
V
V
L
ρ
/
=
=
5. Teoretyczna liczba spienienia
Przyjmując przedstawione powyżej założenie, że Q
P-teor
=Q
pow
:
R
pow
teor
S
Q
Q
L
=
−
6. Sprawność pracy generatora
100
⋅
=
pow
P
Q
Q
φ
[%]
Podczas dokonywania obliczeń należy w szczególności zwrócić uwagę na prawidłowe
przeliczanie jednostek, zwłaszcza wydajności Q (cm
3
/s ↔ dm
3
/h)
Tabela wyników:
Q
pow
[l/h]
Q
R
[l/h]
Q
P
[l/h]
Q
P-teor
[l/h] L
S
L
S-teor
Φ
[%]
1000
1500
2000
...
Na podstawie otrzymanych wyników należy sporządzić wykresy zależności:
1. Q
P
;
Q
P-teor
= f(Q
pow
)
2. L
S
; L
S-teor
= f(Q
pow
)
3. Φ = f(Q
pow
)
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
11
W przypadku badania dwóch i większej ilości środków pianotwórczych, odpowiednie
wykresy należy umieścić we wspólnym układzie współrzędnych.
Poniżej, na rys. 7-9 zaprezentowano przykładowe wykresy otrzymane w badaniach dwóch
ś
rodków pianotwórczych: typu S (Sthamex F-15 3%) i FP (Fluorschaumgeist 6%).
0
50
100
150
200
250
300
350
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Wydajno
ść
powietrza, Q
pow
[l/h]
L
ic
z
b
a
s
p
ie
n
ie
n
ia
Sthamex F-15 3%, Ls
Sthamex F-15 3%, Ls-teor
Fluorschaumgeist 6%, Ls
Fluorschaumgeist 6%, Ls-teor
Rys. 7 Zale
żność liczby spienienia od wydajności powietrza (wartości teoretycznej liczby
spienienia dla obu
środków pianotwórczych pokrywają się)
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
12
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Wydajno
ść
powietrza, Q
pow
[l/h]
W
y
d
a
jn
o
ś
ć
p
ia
n
o
w
a
[
l/
h
]
Sthamex F-15 3%, Qp
Sthamex F-15 3%, Qp-teor
Fluorschaumgeist 6%, Qp
Fluorschaumgeist 6%, Qp-teor
Rys. 8 Zale
żność wydajności pianowej od wydajności powietrza (wartości teoretycznej
wydajno
ści pianowej dla obu środków pianotwórczych pokrywają się)
0
20
40
60
80
100
120
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Wydajno
ść
powietrza, Q
pow
[l/h]
S
p
ra
w
n
o
ś
ć
[
%
]
Sthamex F-15 3%
Fluorschaumgeist 6%
Rys. 9 Sprawno
ść pracy generatora
Ś
rodki ga
ś
nicze i neutralizuj
ą
ce,
Ć
wiczenia laboratoryjne
Instrukcja do
ć
wiczenia
13
Wnioski
Należy przeanalizować przebiegi krzywych przedstawiających zależności wydajności
pianowej, liczby spienienia i sprawności od wydajności powietrza otrzymane dla
poszczególnych środków pianotwórczych. W przypadku badania dwóch lub więcej różnych
ś
rodków pianotwórczych, należy porównać wyniki otrzymane dla poszczególnych
preparatów. Ocenić, które z nich nadają się do wytwarzania pian średnich i lekkich.
Na podstawie przedstawionych powyżej przykładowych wyników badań (rys. 7-9), stwierdzić
można, że środek pianotwórczy typu FP nie nadaje się do wytwarzania pian lekkich, a co
najwyżej średnich. Natomiast środek typu S ma zdolność do wytwarzania pian lekkich. W
obu przypadkach sprawność wytwarzania piany spada wraz ze wzrostem prędkości
przepływania powietrza przez siatkę, a tym samym szybkością tworzenia pęcherzyków.
Zdolność do wytwarzania pian lekkich i średnich o wyższych liczbach spienienia dla środka
pianotwórczego typu FP jest wyraźnie niższa. W składzie tego typu preparatu nie ma
związków powierzchniowo-czynnych, które charakteryzowały się taką szybkością dyfuzji do
granicy faz, która zapewniałaby powstawanie pęcherzyków piany. Takie składniki
(węglowodorowe związki powierzchniowo-czynne) zawiera środek pianotwórczy typu S.
Literatura
1. A. Mizerski, M. Sobolewski, B. Król „Piany gaśnicze”, Warszawa 2006
2. A. Mizerski, M. Sobolewski „Środki gaśnicze. Ćwiczenia laboratoryjne”, Warszawa 1997
3. B. Król „Czym gasić? Pianotwórcze środki gaśnicze”, Przegląd Pożarniczy 5/2000
4. B. Król „Uwaga na procenty!”, Przegląd Pożarniczy” 9/2001
5. B. Król „Piany gaśnicze. Cz. 3. Sprzęt pianotwórczy”, Strażak 5/2004
6. PN-EN 1568- Środki gaśnicze. Pianotwórcze środki gaśnicze. (Części 1-4)
Przykładowe pytania:
1. Opisz proces powstawania piany na siatce.
2. Jakie są przyczyny „zrywania piany”?
3. Jakie rodzaje środków pianotwórczych mogą być stosowane do wytwarzania pian lekkich?
4. Jak oblicza się sprawność pracy generatora piany?
5. Jak wyznacza się praktyczną i teoretyczną liczbę spienienia piany?
Opracowanie:
Bernard Król, Mirosław Sobolewski, Andrzej Mizerski