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