Горение аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов

Кузнец, Елена Анатольевна

Автореферат диссертации на тему "Горение аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов"

На правах рукописи

КУЗНЕЦ ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ГОРЕНИЕ АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИХ ОГНЕТУШАЩИХ СОСТАВОВ, ГЕНЕРИРУЮЩИХ ХЛОРИДЫ ЩЕЛОЧНЫХ

МЕТАЛЛОВ

01.04.17 — Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор

АМОСОВ Александр Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БАЖАНОВ Сергей Петрович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник СЕПЛЯРСКИЙ Борис Семенович

Ведущая организация

Институт проблем химической физики РАН

Защита состоится: ¿3 ^<■>"/■"¿/СУ 2005 года в И.50 на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, аудитория 500.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета. (

Автореферат разослан "Л? " 2005 года

Ученый секретарь » //'

диссертационного совета Д 212.217.01 'ft/ J/'•/ д.ф.-м.н., профессор ^ / f/? A.M. Штеренберг

Ч\>

&ооа

25-3 О

Актуальность работы. Создание новых технологий пожаротушения неразрывно связано с научно-техническим прогрессом всего общества. Во всех странах и во все времена борьба с пожарами являлась трудной, но жизненно важной государственной задачей.

В настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры организационного и технического характера по обеспечению пожаробезопасности различных объектов, наблюдается тенденция неуклонного роста количества пожаров, человеческих жертв и материального ущерба. Поэтому проблема обеспечения пожарной безопасности объектов различного назначения является весьма актуальной. Успешное ее решение во многом связано с созданием и использованием новых экологически безопасных и высокоэффективных огнетушащих средств.

В практике пожаротушения в закрытых помещениях одним из наиболее эффективных является способ подавления пожара, при котором во всем объеме защищаемого объекта создается среда, не поддерживающая процесс горения. До настоящего времени для этого в качестве огнетушащих веществ использовались газовые инертные разбавители или химически активные галогенуглеводороды -хладоны. Однако инертные разбавители имеют низкую огнетушащую способность, а хладоны способствуют разрушению озонового слоя Земли. Огнетушащие порошковые составы (ОПС) малоэффективны при объемном способе тушения пожаров из-за большого размера частиц и трудности распределения по защищаемому помещению.

В этой связи весьма перспективным является использование новой разновидности средств объемного пожаротушения -твердотопливных аэрозолеобразующих огнетушащих составов (АОС) и генераторов огнетушащего аэрозоля (ГОА) на их основе. Современные аэрозольные средства по основным технико-экономическим показателям (высокая огнетушащая способность, автономность, возможность автоматического приведения в действие, простота в эксплуатации, минимальный ущерб при применении) превосходят все средства, ранее используемые для тушения пожара. При этом в двухфазной системе аэрозоля газообразный компонент, как правило, смесь инертных газов, не поддерживает горение, а свежеобразованные высокодисперсные твердые частицы обладают высокой огнетушащей способностью.

Однако существующие в настоящее время устройства генерируют аэрозоли в виде взвеси токсичных оксидов щелочных металлов, а в газообразных продуктах кроме азота и углекислого газа, содержатся продукты неполного окисления горючих в виде угарного газа, аммиака, цианидов и оксиды азота. Оксиды щелочных металлов во влажной атмосфере легко гидролизуются, а образующиеся щелочи наносят ущерб оборудованию. Поэтому перед запуском существующих ГОА обслуживающий персонал должен быть выведен из помещения. А это - потеря времени при пожаре, причем в самый ответственный начальный момент. Кроме этого, работа ГОА без охладителя характеризуется наличием значительного пламени, а при использовании охладителя - резко снижается огнетушащая способность аэрозоля и возрастает его токсичность. Это сдерживает широкое внедрение высокоэффективных аэрозольных систем в практику пожаротушения.

Поэтому весьма актуальной является проблема создания экологически безопасного генератора огнетушащего аэрозоля. Первоочередной задачей на этом пути является получение такого аэрозоля, в котором человек мог бы безопасно находиться длительное время без каких-либо неприятных ощущений (першения в горле, слезоточивости глаз и т.п.), и который, в то же время, обладал бы хорошей огнетушащей способностью.

Исследования выполнялись в рамках гранта Минобразования России по фундаментальным исследованиям в области технических наук ТО 2-12.3-1302 и Региональной научно-технической программы «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области: 2001-2005 г.г.».

Цель работы. Разработать и изучить закономерности горения аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих малотоксичные хлориды натрия и калия в инертном газе. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Выбор исходных компонентов аэрозолеобразующего состава для генерации хлоридов натрия и калия и проведение термодинамических расчетов температуры и равновесного состава продуктов горения разрабатываемых АОС.

2. Установление основных закономерностей горения аэрозолеобразующих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов. Изучение влияния рецептурно-технологических факторов на выходные характеристики АОС.

3. Определение оптимальной рецептуры АОС, обладающей максимальной огнетушащей способностью и минимальной токсичностью продуктов горения.

4. Изучение химического состава газообразных и конденсированных продуктов горения, исследование размера частиц твердой фазы образующегося аэрозоля и динамики его изменения во времени.

5. Разработка основных принципов компоновки и конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля, обеспечивающих охлаждение генерируемого аэрозоля без повышения его токсичности и без увеличения удельного расхода АОС.

Объекты и методы исследования.

В качестве объектов исследования выбраны аэрозолеобразующие огнетушащие составы на основе азида натрия, перхлорвиниловой смолы, перхлората калия и технического углерода.

Термодинамические расчеты температуры и равновесного состава продуктов горения проводились с использованием комплекса программ «Thermo», разработанных в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и основанных на методе минимизации термодинамического потенциала энергии Гиббса. Экспериментальные исследования процессов горения и аэрозолеобразования проводились с помощью термопар с применением аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для анализа продуктов горения применялись методы хроматографического, аналитического и микроскопического анализов.

Научная новизна работы.

1. Предложено в качестве экологически безопасных ингибиторов горения использовать свежеобразованные высокодисперсные хлориды щелочных металлов.

2. Проведен термодинамический анализ влияния соотношения компонентов АОС на равновесный состав продуктов горения и адиабатическую температуру горения. Установлена область рецептур для экспериментальных исследований.

3. Изучены основные закономерности горения АОС, влияние на них рецептурно-технологических факторов; оптимизирована рецептура состава, обеспечивающего максимальную огнетушащую способность.

4. Определен химический состав образующегося аэрозоля и размер частиц его твердой фазы.

5. Сформулированы основные принципы компоновки ГОА, обеспечивающие максимальную чистоту и минимальную температуру генерируемого аэрозоля.

Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе горения аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов, а также о физико-химических свойствах образующихся аэрозолей.

Практическая значимость.

1. Разработана рецептура АОС, генерирующая хлориды щелочных металлов в инертном газе с огнетушащей способностью (27...30) г/м3, а также позволяющая тушить все основные классы пожаров, в том числе тлеющие очаги.

2. Отработана технология изготовления зарядов АОС, обеспечивающая образование экологически безопасного аэрозоля.

3. Разработаны конструкции ГОА, изготовлены натурные образцы на Тольяттинском заводе противопожарного оборудования (ТЗПО) ВДПО и проведены испытания в Испытательной пожарной лаборатории ЦУС ФПС ГУ МЧС России по Самарской области.

Получен патент РФ.

Научная и практическая значимость работы подтверждена актами внедрения и испытаний.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности горения АОС, генерирующего хлориды натрия и калия в среде азота, углекислого газа и водяного пара.

2. Рецептура АОС и ее основные характеристики.

3. Конструкции ГОА с регулируемой степенью аэрозолеобразования, предусматривающие снижение температуры образующегося аэрозоля за счет перераспределения тепла несгоревшей части заряда.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается использованием современных апробированных и известных методов исследования, контролируемостью условий проведения эксперимента, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, совещаниях: «VI Международном симпозиуме по СВС» (Хайфа, Израиль, 2002), Всероссийской конф. «Процессы горения и взрыва в фи физикохимии и технологии неорганических материалов»

(Москва, 2002), Международной научной конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2002), Всероссийских конф. «I и II Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, 2002, 2004), Межвузовской научно-практической конф. «Компьютерные технологии в науке и образовании» (Самара, 2002), Международной научно-технической конф. «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2002), Всероссийской молодежной научной конф. «VII Королевские чтения» (Самара, 2003), Международной конф. «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, 2003), Всесоюзной молодежной научно-технической конф. «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2004), Международной молодежной научной конф. «XII Туполевские чтения» (Казань, 2004), Международных молодежных научных конф. «XXIX и XXXI Гагаринские чтения» (Москва, 2003, 2005).

Результаты диссертационной работы награждены золотой медалью и дипломом участника 49 Международной выставки инноваций, иследований и новых технологий, «Эврика-2000», г. Брюссель, Бельгия, 2000 г.; почетной грамотой участника 92 Международного салона изобретений «Конкурс Лепин», Париж, Франция, 2001 г.; дипломом Всероссийского открытого конкурса инновационных проектов «Инновация - рыночный продукт», г. Москва, 2002 г.; дипломом Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения», г. Москва, 2003 г.; медалью и дипломом I степени Всероссийской Выставки-ярмарки инновационной деятельности «Иннов-2003», г. Новочеркасск, 2003 г.; дипломом IV Межрегиональной специализированной выставки с международным участием «Промышленный салон», г. Самара, 2005 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 статья, 5 докладов, 7 тезисов докладов, получен 1 патент РФ.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно выполнены следующие работы:

1. Термодинамические расчеты разрабатываемых аэрозолеобразующих огнетушащих составов.

2. Экспериментальные исследования закономерностей горения АОС: приготовление составов, изготовление зарядов, их сжигание, обработка экспериментальных данных.

3. Исследование характера изменения частиц аэрозоля, образующегося при горении аэрозолеобразукмцих огнетушащих составов и их изменение во влажной среде.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 122 наименований, 3 приложений. Диссертация изложена на 137 страницах и содержит 39 рисунков и 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна работы и ее практическая значимость. Изложены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния современных средств пожаротушения и использования в них процессов горения. Показано, что аэрозольные системы пожаротушения по основным технико-экономическим показателям превосходят все известные средства пожаротушения в замкнутых объемах. Обзор типовых АОС и штатных конструкций ГОА позволил определить недостатки существующих систем объемного пожаротушения и сформулировать цель работы. Произведена постановка задач диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена выбору методик, приборов и оборудования, предназначенных для исследований.

Регистрация температуры и скорости горения осуществлялась с помощью термопар с использованием АЦП. Погрешность измерения температуры горения составляла (6...8)%, а скорости горения (3...5)%. Для исследования свойств образующегося аэрозоля применялись хроматографические и аналитические методы, а также микроскопический анализ. Описана экспериментальная установка и методика определения огнетушащей способности.

В третьей главе приведены результаты по исследованию закономерностей горения и разработке рецептур АОС, генерирующих хлориды натрия и калия в инертном газе.

Обоснован выбор исходных компонентов АОС, дана характеристика сырья и материалов, используемых при разработке рецептуры.

Приведены результаты термодинамического расчета адиабатической температуры и равновесного состава продуктов горения разрабатываемых АОС. На основании полученных данных определены соотношения между исходными компонентами состава для проведения экспериментальных ксследований: 8

азид натрия (NaN3) - (3...4) моля; перхлорвиниловая смола C2H2fi2Clhw (ПХВС) - (1 ...2) моля; перхлорат калия (КСЮ4) - (4...5) моля; углерод (С) - (1.. .2) моля.

Приведена методика отработки рецептуры состава. Использовалась комбинация двух составов, каждый из которых способен к самостоятельному горению и выделению газодисперсных продуктов в соответствии с уравнениями:

Азидный состав:

1,38 NaNi + С2Н2 М 38 + 1,33 КСЮ4 ->

1,38 NaCl +1,33 KCl + 2С02 + 1,31 Н20 + 2,07 N2

Безазидный состав:

као4 + 1С KCl+2 со2

Рецептуру состава характеризует соотношение а - отношение массовой доли азидного состава к суммарной массе двух составов.

На рисунках 1 и 2 показана зависимость параметров аэрозолеобразования составов насыпной плотности от соотношения а.

0,0 0,2

1.0

0,4 0,6 0,8 Соотношение а

Скорость горения о Выход аэрозоля

Рис. 1. Зависимости скорости горения и выхода аэрозоля от рецептуры состава (углерод в виде сажи)

14 12

х

* >0 | 8

О и

й б о 4

не горит „у

/ 7

/ /

0 1—^

95

1 90

85 £

ее

- 80 О

Я

75 й

о

70 2

т

- 65

60

0,0

0,8

1,0

0,2 0,4 0,6 Соотношение а ■ Скорость горения о Выход аэрозоля

Рис. 2. Зависимости скорости горения и выхода аэрозоля от рецептуры состава (углерод в виде графита)

Максимальные скорость горения и выход аэрозоля наблюдается при а=1. При использовании графита безазидный состав начинает гореть только при добавлении к нему 50% азидного состава.

Влияние удельного давления прессования на плотность и скорость горения зарядов АОС из гранулированного состава показано на рисунке 3.

2

О

о о

X н о с С

100 150 175 200 225 Удельное давление, МПа

250

■ Плотность ■

• Скорость горения

Рис. 3. Зависимость плотности зарядов и скорости горения от удельного давления прессования

Установлено, что заряды из гранулированного состава при высоких удельных давлениях прессования имеют более низкую плотность, чем из порошкообразного состава. При давлениях прессования менее 150 МПа резко возрастает скорость горения, поэтому для формования зарядов исследуемого АОС применялось удельное давление прессования 175 МПа.

На рисунке 4 показана зависимость параметров горения составов запрессованных в трубку и в виде шашек.

0,2 0,4 0,6 Соотношение а

0,8

—♦—Скорость горения (шашка) О Скорость горения (трубка) —^—Высота пламени (шашка) А Высота пламени (трубка)

Рис. 4. Зависимость скорости горения и высоты пламени от состава АОС

Установлено, что при горении исследуемых АОС в трубке имеется область резкого снижения высоты пламени. Более детальными исследованиями определен минимум высоты пламени (80 мм) при а=0,9. Это можно объяснить более высокой скоростью реакции горения в парогазовой фазе. Такой режим горения позволяет разработать конструкцию ГОА с минимальной высотой пламени на выходе из генератора.

С целью полного устранения пламени исследовано влияние охлаждающих добавок при введении их в рецептуру состава с а = 0,9. В таблице 1 показана зависимость параметров горения составов от количества карбонатов магния и кальция и бикарбоната натрия.

Таблица 1.

Влияние охлаждающих добавок на параметры горения АОС

Количество Высота Скорость Выход

добавок пламени, мм горения, мм/с аэрозоля, %

МаНСОъ

5% 130 2,1 86

10% 80 1,9 85

15% 70 1,8 ' 81

20% 50 1,6 74

МцСОъ (осн.)

5% 80 1,9 87

10% 80 1,7 86

15% 50 1,6 83

20% 30 0,6 80

СаС03 летят куски

5% 120 1,6 шлака

10% 100 1,6 83

15% 70 1,4 82

20% 50 1,1 80

Введение охлаждающих добавок, в рецептуру состава заметно снижает высоту пламени, скорость горения и выход аэрозоля. Поэтому их введение более 15 % не целесообразно. Снижение температуры образующегося аэрозоля обеспечивалось конструктивными особенностями ГОА.

Для оптимизации рецептуры АОС использовались методы планирования эксперимента. Варьируемыми факторами были выбраны массовая концентрация азида натрия (Х0 и перхлорвиниловой смолы (Х2). Концентрация углерода была постоянной и составляла 2%. Оставшуюся часть (до 100%) составляло содержание перхлората калия. Для построения модели «состав - свойства АОС» использовано уравнение регрессии в виде полинома второй степени.

^ = 27-1,65*, +2,18*2 +Ъ,15Х1Х1 + 5,62Х,2 +4,87Аг22.

На рисунке 5 представлена геометрическая интерпретация уравнения в виде кривых равных значений исследуемой огнетушащей способности. Цифры на кривых соответствуют огнетушащей способности IV, г/м3.

N°

и со X С и я

К а.

<о §

U

24

23

22

21

20

19

18

17

16

/ V

/

Л у -33 / —

30 ( \

\ 28 J

\ О

23 24 25 26 27 28 29 30 31 Содержание NaN3, %

Рис. 5. Уровни равной огнетушащей способности W в зависимости от содержания NaN3 и ПХВС

Температура горения составов по матрице планирования изменялась в пределах (1100...1300)°С, а высота пламени в пределах (90... 110) мм.

Отработана технология изготовления зарядов АОС, предусматривающая операцию растворения ПХВС в летучем растворителе (ацетоне) с последующей грануляцией состава, его сушкой и прессованием. Это обеспечивает более полную глубину взаимодействия компонентов состава во фронте горения и, как следствие, существенно снижает токсичность образующегося аэрозоля, что подтверждается результатами анализа продуктов горения, в которых практически отсутствуют СО, HCl и цианиды. Рецептуре АОС с максимальной огнетушащей способностью был присвоен шифр - СГХ (состав, генерирующий хлориды). Его основные характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Основные характеристики СГХ_

Показатель, единица измерения Значение показателя

Рецептура состава, %

азид натрия 27±2

перхлорвиниловая смола 20±2

перхлорат калия 51±2

технический углерод 2±0,5

Огнетушащая способность, г/м3 27-35

Температура горения, °С 1150-1250

Линейная скорость горения, м/с 1,6-2,1

Газопроизводительность, л/кг 320-340

Состав газовой фазы, %

N2 33,0

СОг 46,7

Н20 20,0

СО 0,3

HCl 0,007

Состав конденсированной фазы, %

NaCl 38,0

KCl 61,0

С 0,5

Na20 0,5

Соотношение фаз (твердая/газовая) 0,5

На рисунке 6 показана динамика изменения размера частиц дисперсной фазы аэрозоля в течение времени, достаточного для тушения загорания в реальных условиях. При сгорании АОС образуется аэрозоль с очень мелкой дисперсной фазой. Максимальный размер частиц не превышает 1,5 мкм. С течением времени происходит агрегирование частиц и их оседание.

Изменение размера частиц увлажненного аэрозоля при сушке показано на рисунке 7.

* '

Ж ТЩ.

+1

ж т

Через 5 секунд

Через 10 минут

Рис. 6. Изменение размера частиц аэрозоля при его оседании

Через 1 секунду - » -«г Ж """Ж "

л V'" ■

ВИннНННН 1ШЁШШт

кг./- Ж иЬиь > х

Через 3 секунды

Через 12 секунд Через 15 секунд

Рис. 7. Изменение размера частиц увлажненного аэрозоля

при сушке

М

Размер конденсированных частиц увлажненного аэрозоля намного превышает частицы аэрозоля, образующегося при горении АОС, и составляет (50... 150) мкм, по сравнению с начальными (1,0... 1,5) мкм. Это вызвано поглощением частицами влаги и их последующей коагуляцией и слипанием.

За счет тепла, выделяющегося при работе микроскопа, происходит интенсивная сушка частиц в течение (12... 15) секунд, и в итоге образуются кристаллы хлоридов, размеры которых существенно превышают размеры исходного аэрозоля и становятся соизмеримыми с размерами частиц штатных огнетушащих порошковых составов.

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля.

Отработка основных принципов компоновки конструкций ГОА проводилась на экспериментальной установке, схема которой представлена на рисунке 8.

1 - заряд АОС; 2 - поддон; 3 - кварцевая трубка; 4 -электровоспламенитель; 5 - огнепреградительные сетки; 6 -охладитель; 7 - термопара.

Рис. 8. Схема экспериментального устройства

Установлено, что даже значительное увеличение пути прохождения аэрозоля внутри устройства (до 500 мм) не обеспечивает устранение пламени на выходе. При этом с увеличением пути прохождения аэрозоля возрастают его потери за счет осаждения на внутреннюю поверхность устройства (до 16 %).

Подсос воздуха несколько уменьшает высоту пламени, но существенного влияния на него не оказывает, при этом снижается выход аэрозоля.

После разборки отработавшего ГОА установлено, что основная часть аэрозоля оседает на боковой поверхности корпуса. Аэрозоль, оседающий на огнепреградительных сетках, уносится потоком вновь образующегося аэрозоля.

Выявлено, что при использовании корпуса из различных материалов (металл, кварцевое стекло), количество оседающего аэрозоля изменяется несущественно и составляет (14... 18)%. Футеровка внутренней поверхности корпуса ГОА гипсом существенно снижает потери аэрозоля до (4...5)%. Поэтому целесообразно покрывать внутреннюю поверхность ГОА слоем твердого абляционного материала.

Введение огнепреградительных сеток значительно снижает высоту пламени до 50 мм, при этом потери аэрозоля не превышают 20%.

Введение внешнего охладителя исключает появление пламени на выходе из устройства, но увеличивает потери аэрозоля (до 40 %). Одновременно возможно его загрязнение продуктами разложения самого охладителя

На основании проведенных экспериментов сформулированы основные принципы компоновки ГОА, обеспечивающие охлаждение образующегося аэрозоля без увеличения удельного расхода АОС:

1. Снижать температуру образующегося аэрозоля за счет перераспределения тепла несгоревшей части заряда.

2. Использовать минимальное количество специальных конструктивных охлаждающих элементов.

3. Футеровать внутреннюю поверхность корпуса абляционными материалами (например, гипсом) и использовать охладители сотовой, а не насыпной конструкции.

4. Использовать рецептуры АОС с минимальной температурой горения.

На рисунке 9 показаны конструкции ГОА, разработанные с учетом вышеперечисленных принципов.

4

а) с огнепреградительными сетками и выпускным конусом

б) с аэрозолеотводящим каналом внутри заряда АОС

в)

с интенсивным подогревом заряда г) с использованием канального генерируемым аэрозолем блочного охладителя

1 - корпус; 2 - заряд АОС; 3 - выпускной конус; 4 - узел запуска; 5 - зажигательный состав; 6 - огнепреградительная сетка, 7 - бронировка, 8 - каналы для выхода аэрозоля.

Рис. 9. Схемы конструкций ГОА

Для эффективного распределения образующегося аэрозоля в защищаемом объеме все ГОА снабжены выпускным конусом.

Конструкция с огнепреградительными сетками (рис. 9а) характеризуется минимальными потерями аэрозоля. В зависимости от рецептуры АОС возможно использование 2-4 сеток.

В ГОА (рис. 96 и рис. 9в) образующийся аэрозоль проходит через аэрозолеотводящий канал внутри заряда или через отверстия между шнуровыми элементами, отдавая им свое тепло. При этом происходит охлаждение аэрозоля и увеличивается скорость горения АОС. Для охлаждения последней порции горячего аэрозоля целесообразно применение блочного охладителя сотовой структуры.

Конструкция (рис. 9г) обеспечивает не только наибольшее снижение температуры генерируемого аэрозоля (до 200°С), но и характеризуется достаточно большими потерями аэрозоля (до 20 %). За счет эффективного отбора тепла охладителем из зоны реакции время работы ГОА увеличивается. При этом генерируемый аэрозоль разбавляется продуктами разложения гипса (водяным паром), что не только понижает его температуру, но и оказывает существенное влияние на размер частиц твердой фазы аэрозоля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В качестве экологически безопасных ингибиторов горения использованы свежеобразованные высокодисперсные частицы хлоридов натрия и калия в инертном газе.

2. Осуществлен выбор исходных компонентов аэрозолеобразующего огнетушащего состава, обеспечивающего генерацию NaCl и KCl в среде азота, углекислого газа и водяного пара. В качестве основной реакции горения использовано взаимодействие азида натрия с перхлорвиниловой смолой и перхлоратом калия в присутствие технического углерода.

3. Проведен термодинамический анализ процесса горения и рассчитаны температуры и равновесный состав продуктов горения разрабатываемых АОС в широком диапазоне рецептурных факторов. Определены соотношения между компонентами состава, обеспечивающие генерацию аэрозоля, состоящего из хлоридов натрия и калия в инертном газе с минимальным содержанием вредных примесей: NaNj - (3...4) моля; C2H262Clit3S - (1...2) моля; КСЮ4-(4...5) моля; С-(1...2) моля.

4. Экспериментально исследован процесс горения АОС. Установлены основные закономерности горения составов:

- построены зависимости скорости горения и выхода аэрозоля от соотношения между компонентами, установлена область рецептур с минимальной высотой пламени (80...90) мм;

- показано влияние удельного давления прессования на плотность и скорость горения зарядов, определена область объемного режима горения при Руа <150 МПа;

- изучено влияние охлаждающих добавок на параметры горения АОС, их введение уменьшает высоту пламени до 30 мм и скорость горения в (1,5...2,0) раза, однако при этом снижается выход аэрозоля до (75... 80)%.

5. Разработана рецептура состава, генерирующего хлориды с огнетушащей способностью -(27...35) г/м и определены его основные характеристики.

Отработана технология изготовления зарядов АОС, обеспечивающая полноту взаимодействия компонентов во фронте горения и экологическую безопасность образующегося аэрозоля.

6. Установлен размер частиц твердой фазы генерируемого аэрозоля - (1,0...1,5) мкм и динамика его изменения во времени, в том числе во влажной среде. Показана возможность их агломерации и последующего образования кристаллов соли соизмеримой с размером частиц штатных ОПС.

7. Сформулированы основные принципы компоновки и разработаны конструкции ГОА, обеспечивающие минимальные потери и приемлемый уровень температуры выходящего аэрозоля, а также возможность регулирования скорости горения АОС.

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Пат. 2201774 Российская Федерация, МПК7 А 62 С 3/00, 13/22, А 62 Б 1/00. Аэрозолеобразующий состав и генератор огнетушащего аэрозоля [Текст] / Амосов А.П., Самборук А.Р., Кузнец Е.А. и др.; заявитель и патентообладатель Самарский госуд.техн.ун-т.- № 2000126609/12; заявл. 25.10.2000; опубл. 10.04.2003.- 2 е.: таб., ил.

2. Кузнец, Е.А. Беспламенный СВС генератор огнетушащего аэрозоля [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Р. Самборук, А.Г. Макаренко, В.А. Рекшинский // VI Международный симпозиум по СВС (СВС-2001): сборник трудов / Хайфа, Израиль, 2002.- 17-21 февраля.- С.35.

3. Кузнец, Е.А. Использование процессов горения для получения экологически чистых огнетушащих аэрозолей [Текст] / Е.А. Кузнец,

А.П. Амосов, A.P. Самборук, А.Г. Макаренко, В.А. Рекшинский // Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов: тр. Всерос.конф. / Москва, ИСМАН,-Москва, 2002,- 24-27 июня.- С. 17-21.

4. Кузнец, Е.А. Экологически чистые огнетушащие аэрозоли [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Г. Макаренко, А.Р. Самборук, В.А. Рекшинский // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тез.докл. Междунар.научн.конф. / Кисловодск, С-КГТУ,- Кисловодск, 2002,- 13-18 октября.- С.144-145.

5. Кузнец, Е.А. Аэрозолеобразующие составы с экологически чистыми продуктами горения [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Г. Макаренко, А.Р. Самборук // Энергетические конденсированные системы: мат. Всерос.конф. / Черноголовка, ИПХФ РАН.-Черноголовка, 2002.- 28-31 октября,- С.173-174.

6. Кузнец, Е.А. Использование аппаратно-программного измерительного комплекса для исследования СВС-процессов [Текст] / Е.А. Кузнец, Д.В. Закамов, А.Р. Самборук // Компьютерные технологии в науке и образовании/ тез.докл. Межвуз.научно-практич.конф. / Самара, СамГТУ.- Самара, 2002,- 4 ноября.- С.36-37.

7. Кузнец, Е.А. Использование процессов горения для защиты объектов машиностроения от пожаров [Текст] / Е.А Кузнец, А.Р. Самборук // Высокие технологии в машиностроении: мат. Междунар.научно-технич.конф. / Самара, СамГТУ.- Самара, 2002.19-21 ноября,-С. 147-149.

8. Кузнец, Е.А. Генераторы огнетушащего аэрозоля для промышленного производства [Текст] / Е.А. Кузнец, A.A. Самборук // VII Королевские чтения: тез.докл. Всерос.молод.научн.конф. / Самара, СГАУ.- Самара, 2003,- 1-2 октября,- С.183.

9. Кузнец, Е.А. Аэрозольные системы пожаротушения на транспорте [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Р. Самборук // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: мат. Междунар.конф. / Самара, СамГТУ,-Самара, 200.- 25-27 ноября (Часть 1).- С.56-58.

10. Кузнец, Е.А. Хлориды натрия и калия как экологически чистые огнетушащие агенты [Текст] / Е.А. Кузнец, A.A. Самборук, Н.Б.Костин // Будущее технической науки: тез.докл. III Всесоюз.молод. научно-технич.конф. / Нижний Новгород, НГТУ,-Нижний Новгород, 2004,- 26-27 мая,- С.325-326.

11. Кузнец, Е.А. Получение хлоридов щелочных металлов в режиме горения для средств пожаротушения [Текст] / Е.А. Кузнец, А.Р. Самборук, А.Г. Макаренко, В.А. Рекшинский // Энергетические конденсированные системы: тез.докл. II Всерос.конф. / Черноголовка, ИПХФ РАН,- Черноголовка, 2004.- 9-12 ноября.- С.213-214.

12. Кузнец, Е.А. Создание генераторов огнетушащего аэрозоля с экологически чистыми продуктами горения [Текст] / Е.А. Кузнец // XII Туполевские чтения: тез.докл. Междунар.молод.научн.конф./ Казань, КазГТУ им. А.Н. Туполева,- Казань, 2004,- 10-11 ноября,-С.240-241.

13. Кузнец, Е.А. Аэрозолеобразующий огнетушащий состав для систем пожаротушения, применяемых в замкнутых помещениях [Текст] / Е.А. Кузнец, A.A. Самборук // XXXI Гагаринские чтения: тез.докл. Междунар.молод.научн.конф. / Москва, МАТИ.- Москва, 2005.- 5-9 апреля,- С. 15-16.

14. Кузнец, Е.А. Аэрозолеобразующие огнетушащие составы, генерирующие хлориды щелочных металлов [Текст] / Е.А.Кузнец, А.П. Амосов, A.A. Самборук // Вестн. Самар.госуд.техн.ун-та. Сер. Технические науки.- 2005,- № 32,- Самара, СамГТУ,- С.210-211.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.01 (протокол № {С от "ЛИ " скУЛ¿/>31.2005 года)

Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе.

Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной полиграфии 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус

#24 1 f ;

РНБ Русский фонд

2006-4 25380

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Кузнец, Елена Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

1 Литературный обзор

1.1 Использование процессов горения и огнетушащих аэрозолей в пожаротушении

1.2 Пиротехнические аэрозолеобразующие огнетушащие составы (АОС)

1.3 Генераторы огнетушащего аэрозоля (ГОА) 34 i 1.4 Выводы и постановка задач диссертационной работы

2 Методики, приборы и оборудование, используемые при проведении исследований

2.1 Методика определения скорости, температуры горения и газопроизводительности АОС

2.2 Методика определения огнетушащей способности

2.3 Методика определения размера частиц аэрозоля

2.4 Методика определения химического состава продуктов горения АОС

3 Разработка рецептуры АОС, генерирующего хлориды щелочных металлов

3.1 Выбор компонентов аэрозолеобразующего огнетушащего состава

3.2 Характеристика исходного сырья и материалов, используемых при разработке рецептур АОС

3.3 Термодинамические исследования горения АОС

3.3.1 Методика термодинамического анализа

3.3.2 Результаты расчетов и их обсуждение

3.4 Исследование закономерностей горения АОС

3.4.1 Влияние рецептурных факторов на скорость горения АОС и выход аэрозоля

3.4.2 Влияние удельного давления прессования на плотность зарядов и скорость горения

3.4.3 Исследование высоты пламени при горении АОС

3.4.4 Влияние охлаждающих добавок на горение АОС

3.5 Оптимизация рецептуры АОС

3.6 Выбор технологии изготовления зарядов АОС

3.7 Основные характеристики образующегося аэрозоля

3.8 Основные характеристика АОС, генерирующего хлориды щелочных металлов 104 4 Разработка конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля

4.1 Основные принципы компоновки конструкций ГОА

4.2 Перспективные варианты конструкций ГОА

4.2.1 Конструкция ГОА с огнепреградительными сетками и выпускным конусом

4.2.2 Конструкция ГОА с аэрозолеотводящим каналом внутри заряда АОС

4.2.3 Конструкция ГОА с интенсивным подогревом заряда генерируемым аэрозолем

4.2.4 Конструкция ГОА с использованием канального блочного охладителя

4.3 Основные характеристики ГОА 119 Заключение 120 Список использованных источников 122 Приложения

Введение диссертация по физике, на тему "Горение аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов"

Горение и взрыв являются важной и эффективно развивающейся областью научно-технического прогресса, а сами процессы горения имеют большое практическое значение [1].

Одним из актуальных направлений практического приложения научных результатов в области горения является современное пожаротушение [2].

Актуальность работы. Создание новых технологий пожаротушения неразрывно связано с научно-техническим прогрессом всего общества. Во всех странах и во все времена борьба с пожарами являлась трудной, но жизненно важной государственной задачей.

В настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры организационного и технического характера по обеспечению пожаробезопасности различных объектов, наблюдается тенденция неуклонного роста количества пожаров, человеческих жертв и материального ущерба. Поэтому проблема обеспечения пожарной безопасности объектов различного назначения является весьма актуальной. Успешное ее решение во многом связано с созданием и использованием новых экологически безопасных и высокоэффективных огнетушащих средств.

В практике пожаротушения в закрытых помещениях одним из наиболее эффективных является способ подавления пожара, при котором во всем объеме защищаемого объекта создается среда, не поддерживающая процесс горения. До настоящего времени для этого в качестве огнетушащих веществ использовались газовые инертные разбавители или химически активные галогенуглеводороды - хладоны. Однако инертные разбавители имеют низкую огнетушащую способность, а хладоны способствуют разрушению озонового слоя Земли. Огнетушащие порошковые составы (ОПС) малоэффективны при объемном способе тушения пожаров из-за большого размера частиц и трудности распределения по защищаемому помещению.

В этой связи весьма перспективным является использование новой разновидности средств объемного пожаротушения - твердотопливных аэрозолеобразующих огнетушащих составов (АОС) и генераторов огнетушащего аэрозоля (ГОА) на их основе [3].

Современные аэрозольные средства по основным технико-экономическим показателям (высокая огнетушащая способность, автономность, возможность автоматического приведения в действие, простота в эксплуатации, минимальный ущерб при применении) превосходят все средства, ранее используемые для тушения пожара. При этом в двухфазной системе аэрозоля газообразный компонент, как правило, смесь инертных газов, не поддерживает горение, а свежеобразованные высокодисперсные твердые частицы обладают высокой огнетушащей способностью.