Тушение пожаров аэрозольными составами тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.01 ВАК РФ
|
Корольченко, Дмитрий Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.01.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
с -
%
КОРОЛЬЧЕНКО Дмитрий Александрович
ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ АЭРОЗОЛЬНЫМИ СОСТАВАМИ
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
МОСКВА 1998
На правах рукописи
КОРОЛЬЧЕНКО Дмитрий Александрович
ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ АЭРОЗОЛЬНЫМИ
Специальность: 05.26.03 Пожарная безопасность (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
СОСТАВАМИ
7
подшгйь соискателя
Москва, 1998 г.
Работа выполнена в
НПО "СОТ"
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Шебеко Юрий Николаевич_
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Баратов Анатолий Николаевич_
кандидат технических наук Воевода Сергей Семенович_
Ведущая организация:
Институт структурной макрокинетики РАН
г. в
Защита состоится * 19 " октября 1998 г. в ' / часов на заседании диссертационного совета Д052.03.01 в Московском институте пожарной безопасности МВД России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4, зал Совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИПБ МВД России. Автореферат разослан " сентября 1998 г. Исх. №
Отзыв на автореферат, заверенный подписью и печатью, просим направлять в МИПБ МВД России по указанному адресу.
Телефон для справок 283-19-05.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук
Т,Г. Меркушкина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
сть работы. До последнего времени основными огнетушащи-
ми средствами в установках автоматического пожаротушения были инертные газы, порошки и хладоны. В связи с обнаруженным эффектом воздействия хладонов на озоновый слой атмосферы Земли в 1994 г. было принято международное соглашение о постепенном сокращении, а затем и полном прекращении производства и применения хладонов. Это соглашение побудило исследователей многих стран начать поиски огнетушащих средств, которые могли бы заменить традиционные хладоны.
Исследования включали три направления: синтез новых озононеразруша-юших хладонов, использование комбинированных составов с незначительным содержанием хладонов и создание принципиально новых огнетушащих средств.
Существенные успехи были достигнуты по третьему направлению. Совместными усилиями группы специалистов из ВНИИ Противопожарной обороны МВД СССР под руководством проф. А.Н. Баратова и рада других организаций были созданы твердотопливные композиции, при сгорании которых выделяются газоаэрозольные составы, обладающие высокой огнетушащей эффективностью, а также соответствующие камеры сгорания для них — генераторы огнетушащего аэрозоля. При практическом применении созданных генераторов огнетушащего аэрозоля возникли вопросы, от решения которых зависела возможность реализации идеи гозоаэрозольного пожаротушения. К их числу относились: возможность зажигания горючих предметов раскаленной струей, выходящей из сопла генератора в начальный период его работы, резкое снижение эффективности пожаротушения при наличии в защищаемом помещении открытых проемов, изменение эффективности подавления пожара в зависимости от степени загроможденности помещения технологическим или иным оборудованием. Необходимость решения перечисленных вопросов определила актуальность диссертационного исследования.
Диссертация выполнена в соответствии с планом НИР НПО СОТ в рамках проведения работ, вытекающих из Федеральной целевой программы "Пожарная безопасность и социальная зашита на 1995—1997 г.г."
Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи: разработать методику оценки огнетушащей эффективности аэрозольных генераторов;
является оптимизация условий при-
менения аэрозольных генераторов для пожаротушения.
- разработать методики, характеризующие работоспособность аэрозольных генераторов: время срабатывания, температуру аэрозольной струи на выходе из генератора, зажигающую способность аэрозольной струи;
- разработать метод определения давления, развиваемого в помещении при сгорании аэрозолеобразуюших составов;
- установить влияние степени негерметичности защищаемых помещений на эффективность газоаэрозольного тушения;
- выявить влияние степени загроможденности объема помещений на эффективность гозоаэрозального тушения;
— оценить возможность применения аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожаротушения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— уточнен механизм огнетушащего действия аэрозольных составов, получаемых из твердотопливных композиций;
— обоснованы методы оценки эффективности аэрозольных генераторов;
— определены условия зажигания твердых горючих легковоспламеняющихся материалов и горючих газовых смесей аэрозольными генераторами типа СОТ;
— разработан новый расчетный метод определения давления, развиваемого в помещении, при срабатывании аэрозольных генераторов;
- установлено влияние степени негерметичности защищаемых помещений на эффективность аэрозольного пожаротушения;
— изучена взаимосвязь загроможденности объемов защищаемых помещений и эффективности аэрозольного пожаротушения;
— показана принципиальная возможность использования аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожаротушения. Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования
использованы при разработке норм пожарной безопасности, утвержденных Главным управлением Государственной противопожарной службы МВД России:
- НПБ 60-97. Пожарная техника. Генераторы огнетушащего аэрозоля. Общие технические требования. Методы испытаний;
- НПБ 61-97. Установки аэрозольного пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования и применения.
На основе выполненных исследований разг"ботаны рекомендации по использованию аэрозольных генераторов оперативными подразделениями пожарной охраны.
проведено на Втором меж-
дународном семинаре "Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations" (Москва, 1997), на научных семинарах во ВНИИ Противопожарной обороны (1996, 1997 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ.
четырех глав и выводов. Общий объем диссертации составляет 143 страницы, в
том числе 31 рисунок и 16 таблиц. Список литературы состоит из 98 наименований. На защиту выносятся:
— результаты уточнения механизма огнетушащего действия аэрозольных составов, получаемых из твердотопливных композиций;
— обоснование методов оценки эффективности аэрозольных генераторов;
— результаты изучения условий зажигания горючих газовых смесей и твердых легковоспламеняющихся материалов аэрозольными генераторами типа СОТ;
— расчетный метод определения давления, развиваемого в помещении, при срабатывании аэрозольных генераторов;
— экспериментальные данные исследования слияния загроможденности защищаемого помещения на эффективность аэрозольного пожаротушения;
— обоснование возможности применения аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожаротушения.
Во введении обоснована актуальность исследований, связанных с определением оптимальных условии применения аэрозольных генераторов в установках автоматического пожаротушения. Сформулированы цель и задачи исследований, изложены положения, характеризующие научную новизну и практическую значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.
жает состояние проблемы по объемным способам пожаротушения, а также рассмотрены схемы автоматических установок объемного пожаротушения.
Проанализирован механизм огнетушащего действия газовых составов, применяемых в установках пожаротушения. Отмечено, что эффект тушения при разбавлении среды инертными разбавителями обусловлен потерями тепла из пламени на нагрев этих разбавителей, снижение скорости химических реакций в пламени и теплового эффекта реакции горения.
Диссертация состоит из введения,
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
представлен анализ научной литературы, которая отра
При рассмотрении химически инертных флегматизаторов выделены две группы веществ: термически стабильные при температуре пламени (N2, СО2, Н2О, Аг) и разлагающиеся при этой температуре. Огнетушащая эффективность веществ первой группы определяется, в основном, их теплоемкостью.
Достаточно сложную природу имеет действие термически нестабильных флегматизаторов. Как и термически стабильные добавки, они не оказывают специфического химического влияния на кинетику реакций в пламени, а лишь снижают температуру горения. Их большая по сравнению с термически стабильными флегматизаторами эффективность обусловлена не только большей теплоемкостью, которая возрастает с усложнением молекулы, но и способностью подобных соединений к эндотермическим превращениям в предпламенной зоне и зоне горения.
Из анализа литературы следует, что наиболее эффективными средствами газового объемного пожаротушения являются хладоны — галогенпроизводные предельных углеводородов, в молекулах которых атомы водорода полностью или частично заменены атомами галогенов. Рассмотрен механизм огнетушащего действия хладонов.
Анализируется воздействие на пламя огнетушащих порошков. Отмечена их более высокая огнетушащая эффективность по сравнению с газовыми составами и универсальность применения. Порошки используются для тушения различных горючих материалов: нефтепродуктов, растворителей, сжиженных углеводородных газов, твердых горючих материалов, щелочных металлов и т.д.
Рассмотрены публикации по применению аэрозольных составов, получаемых из твердотопливных композиций, для целей пожаротушения.
На основании анализа литературных данных по объемным способам пожаротушения обоснованы основные направления исследований.
Во второй главе описаны методы определения основных характеристик генераторов огнетушащего аэрозоля.
Вначале оценена роль тепловых факторов (скоростей тепловыделения и теплоотвода из реагирующей системы), а также вклад разветвленно-цепного механизма в воздействие аэрозольных составов на пламя. Тепловая оценка произведена в предположении, что аэрозольные частицы состоят из молекул КС1. Огнетушащая концентрация аэрозольного состава не превышает 100 г/м3. Это означает, что на один моль газа (22,4 л) приходится 2,24 г пли 0,03 моля КС1. Поскольку мольная теплоемкость КС1 равна 50,2 Дж/мольград, то на нагрев 0.03 моля от начальной температуры до температуры пламени (-1300 К) будет
о
израсходовано 1,5 Дж. При этом при сгорании и рассматриваемом объеме газовоздушной смеси типичного органического горючего (даже при прекращении на 20%) выделится п сотни раз большая энергии.
Для оценки времени прогрева аэрозольных частиц до температуры пламени использовано уравнение теплового баланса:
Cv-p~=-Je(r0- Г), (2.1)
в котором: С„ — теплоемкость частицы; р — плотность частицы; Г— температура частицы; t— время нагрева частицы до температуры пламени; S — площадь поверхности частицы; V— объем частицы; а — коэффициент теплоотдачи; То — температура нагретого газа.
Размер аэрозольных частиц не превышает 5-10~4 см, теплоемкость — около 50 Дж/моль-град. Поскольку частицы достаточно малы, то вблизи их поверхности в газе не создается градиента температуры. Поэтому число Нуссельта по порядку величины близко к единице, и а ~ \/d, где X — коэффициент теплопроводности газа, который составляет около 0,07 Вт/моль-град; d — характерный размер частиц. Приняв, что аэрозольная частица имеет форму шара, получаем: S/V = = 6/d = 1,2-10~4 см-1. Подставив значения всех параметров в уравнение (1) и проинтегрировав его, получаем время прогрева частицы до температуры пламени (1300 К) около Ю-4 с. Таким образом, прогрев частиц до температуры пламени завершается менее чем за первые десятые доли секунд после выброса частиц в защищаемый объем.
Далее оценена величина энергии, необходимой для испарения KCl. Теплота испарения этой соли принята равной энергии разрыва связи молекулы. Отсюда получено, что на испарение 0,03 моля KCl требуется лишь 12,7 кДж. Эта величина в десятки раз меньше количества тепла, выделяющегося при превращении лишь 20% исходных веществ, составляющих горючую смесь. При этом, как было показано выше, прогрев и испарение произойдет в первые доли секунд после ввода аэрозоля в зону пламени, и дальнейший расход тепла по этим каналам прекратится.
С учетом полученных результатов сделан вывод о преимущественно химическом воздействии аэрозольных составов на пламя. Для его подтверждения выполнены эксперименты по тушению керосина и натрия.
Известно, что горение паров натрия протекает по нецепному механизму и обусловлено лавинообразным ускорением процесса саморазогрева. Горение керосина, представляющего собой смесь углеводородов, протекает по разветвлен-но-цепному механизму.
В экспериментах установлено, что тушение керосина достигалось при концентрации аэрозоля в зоне горения выше 52 г/м3. Тушение натрия не происходило вплоть до концентраций 625 г/м3. Эти результаты подтверждают вывод о том, что воздействие огнетушащего аэрозоля на пламя обусловлено обрывом реакционных цепей, т.е. он является ингибитором цепного горения.
К основным показателям, характеризующим эффективность работы аэрозольных генераторов, отнесены: время срабатывания (инерционность), удельный массовый выход аэрозоля, температура аэрозольной струи на выходе из генератора. время работы генератора, зажигающая способность аэрозольной струи, огнетушашая эффективность.
Под временем срабатывания (инерционностью) генератора понимается промежуток времени от момента подачи электрического сигнала на запуск генератора в работу до момента начала истечения огнетушащего аэрозоля из выпускного отверстия генератора.
Удельный массовый выход аэрозоля характеризуется отношением массы образовавшегося аэрозоля к массе заряда.
Вре.ия работы генератора — промежуток времени от момента начала до момента окончания истечения огнетушащего аэрозоля из выпускного отверстия генератора.
Зажигающая способность — возможность инициировать горение легковоспламеняющихся веществ и материалов воздействием высокотемпературных продуктов сгорания аэрозолеобразующих составов.
Огнетушащая эффективность — отношение массы заряда аэрозолеобразу-ющего состава к максимальному объему помещения, в котором генератор обеспечивает тушение модельных очагов пожара.
Методика оценки зажигающей способности разработана применительно к твердым материалам и газовым смесям.
В методике оценки зажигающей способности генераторов в случае твердых материалов использована огневая камера, представляющая собзй цилиндр объемом 30 м3. Диаметр камеры — 4,2 м; высота — 2,8 м. Верхняя часть огневой камеры имеет форму конуса высотой 0,15 м. Горючие материалы располагаются на полу огневой камеры. В качестве горючих материалов использованы: оберточный картон, сосновые стружки, хлопковая вата, газетная бумага и газетная бумага, пропитанная раствором аммиачной селитры и затем высушенная до постоянного веса. Выбор перечисленных материалов обусловлен их легкой воспламеняемостью, достаточно низкими температурами воспламенения, высо-
кой склонностью к тлению.
В опытах по отработке методики использовались генераторы СОТ-1. Регистрация результатов воздействия работающих генераторов на горючие материалы осуществлялась визуально и с помощью видеокамеры.
Разработка методики оценки зажигающей способности генераторов применительно к газовым смесям осуществлена в два этапа. На первом в качестве взрывной камеры использована стандартная установка "Предел-2" объемом 52 дм3 со следующими размерами: высота — 80 см, диаметр — 30 см. Макет генератора размещался внутри реакционного сосуда. При проведении экспериментов сосуд заполнялся пропановоздушной смесью. Затем осуществлялся запуск генератора и оценивался результат воздействия газоаэрозольнои струи на горючую смесь. В результате предварительных экспериментов отработаны основные положения методики и выявлено, что источником зажигания смеси яатяется сам горящий заряд и догорающие частииы, вылетающие из корпуса генератора.
В окончательном варианте методики предусмотрено размещение генераторов в камерах объемом 0,8 м3 (рис.1). Внутри камеры размещался образец генератора и источник зажигания в виде пережигаемой нихромовой проволоки. Присутствие этого источника зажигания обусловлено необходимостью контрольном проверки горючести газовоздушной смеси, в которой функционировал генератор, с целью подтверждения правильности задания ее состава. Камера размещалась в полиэтиленовом мешке п в нее подавался пропан в количестве, соответствующем стехиометрической концентрации. Через 15 мин осуществлялся запуск генератора. По окончании работы генератора производили контрольное зажигание газовой смеси (если воспламенения во время работы генератора не наблюдалось).
На основании проведенных исследований сформулированы основные положения методики оценки зажигающей способности аэрозольных генераторов и показана принципиальная возможность создания генератора огнетушащего аэрозоля, способного к пожаровзрывобезопасному функционированию в средах с горючими газопаровоздушными смесями.
Накопленный опыт по испытаниям средств объемного пожаротушения, учет основных положений теории объемного тушения, особенности аэрозольных составов позволили сформулировать основные требования к методике испытаний аэрозольных генераторов на огнетушащую эффективность. Эти требования заключаются в следующем:
— объем испытательной камеры должен быть достаточным дли испытаний промышленных образцов аэрозольных генераторов;
РИС.1. Принципиальная схема стенда для исследования зажигающей способности аэрозольных генераторов:
1 - полиэтиленовая пленка;
2 - реакционный сосуд;
3 - генератор;
4 - вентили;
5 - расходомер;
6 - источник зажигания
— испытательная камера должна быть переменного объема, поскольку масса заряда в генераторах разного типа различна;
— в испытательной камере должны размещаться стандартные модельные очаги пожара;
— установка должна обеспечивать надежный контроль процесса тушения. С учетом сформулированных требований была создана экспериментальная
установка для определения огнетушащей эффективности аэрозольных генераторов. Принципиальная схема установки показана на рис.2.
В качестве модельных очагов пожара использованы очаги классов Аг и В. Особенностью данной методики является преимущественное размещение очагов пожара на уровне пола, поскольку на нижнем уровне тушение при помощи аэрозольных генераторов достигается сложнее всего.
Перемещением передвижной перегородки устанавливается необходимый объем огневой камеры, вычисляемый по формуле
У=М/С, (2)
где: У— требуемый объем огневой камеры, м^; М — масса заряда генератора, кг; С — огнетушащая концентрация заряда генератора, кг/м3. В емкости, имитирующие очаги пожара, заливается горючая жидкость, затем она -зажигается. Время свободного горения (до запуска генератора) колеблется от 180 до 360 с в зависимости от температуры кипения используемой жидкости. Испытуемый генератор приводится в действие; после десятиминутной экспозиции (начиная с момента запуск,- генератор;!) оценивается результат тушения по схеме: тушение достигнуто или не достигнуто. Результаты испытаний считаются положительными, если в трех параллельных экспертизах наблюдалась полная ликвидация пламени модельных очагов.
Аналогичным образом проводятся испытания и » случае тушения твердых материалов.
В третьей главе приведены результаты исследований но опенке давления, развиваемого в помещении, при сгорании аэрозолеобразуюших составов, зависимости эффективности газоаэрозольного тушения от степени негерметичности и степени загроможденности защищаемых помещений.
В процессе работы аэрозольных генераторов за счет выделения тепловой энергии и появления газообразных продуктов горения в защищаемом объеме, если степень его герметичности достаточно высока, может произойти повышен не давления вплоть до величин, вызывающих разрушение остекления. В этом случае генерируемый аэрозоль будет выносится за пределы защищаемого помещения и фактическая его концентрация окажется ниже расчетной, что может отрицательно сказаться на эффективности тушения.
В связи с этим разработана методика расчета изменения давления газовоздушной среды в негерметичном помещении при работе генераторов огнетуша-щего аэрозоля и проведена ее экспериментальная проверка.
РИС.2. Схема установки для определения огнетушащей способности аэрозольных генераторов: 1 - корпус огневой камеры; 2 - проем с регулируемой площадью сечения; 3 -передвижная перегородка; 4 - вытяжная вентиляция; 5 - испытываемый генератор; 6 -модельные очаги пожара; 7 - смотровое окно; 8 - устройство формирования электрического импульса; 9 - факел для зажигания модельных очагов; 10 - автоматический потенциометр; 11 - место установки рабочих спаев термопар
Основные предположения, положенные в основу расчетной модели, заключаются в следующем:
— параметры газовоздушной среды однородны по объему помещения (приближение идеального перемешивания), а сама газовоздушная среда представляет собой идеальный газ;
— относительная плотность огнетушащего состава существенно ниже плотности воздуха;
— начальное давление в помещении незначительно отличается от атмосферного;
— температура стен помещения во время работы генератора постоянна. Уравнения, описывающие изменение во времени массы газовоздушной
среды, массы огнетушащего вещества, давления и энтальпии среды, записаны следующим образом:
^ = р0<7а-<У0; (3)
Ате г СУ „ .
<1Р й(тЯТ\ ,,,
а-л^цу)1
™=йОа-"Оо-<хР(Т-Ту,), (6)
где: т — масса газовоздушной среды в помещении, кг; Са — массовая скорость генерации огнетушащего вещества, кг/с; Оа — массовая скорость истечения газовоздушной среды из проемов, кг/с; те — масса огнетушащего вещества в объеме помещения, кг; С — массовая концентрация огнетушащего вещества в объеме
3 3
помещения, кг/м', V— объем помещения, м ; Р — давление, Па; Л — универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль К; Т — среднеобъемная температура в помещении, К; ц — средняя молярная масса газовоздушной среды, кг/мать; Н — энталышя газовоэдушной среды в помещении, Дж; £> — удельная теплота сгорания твердотопливной аэрозолеобразующей композиции, Дж/кг; а — коэффициент теплоотдачи при теплообмене между газовоздушной средой и ограждающими конструкциями и оборудованием, Дж/(м2-К); Р — площадь поверхности огражда-
2
ющих конструкций и оборудования, м ; Гм> — температура поверхности ограждающих конструкций и оборудования, К; р0 — доля массы заряда, идущей на генерацию газов.
После ряда преобразований получено:
Величину СЬ для докритического истечения (именно оно имеет место при работе генераторов) вычисляли по известному соотношению:
Л
Са = С л /ъ
у- 1
2 у (Г+
"И
(10)
где: Си — коэффициент истечения; Г0 — плошадь открытых проемов, м2; р — плотность газовоздущной среды, кг/м3, описываемая соотношением:
р = р (и)
у — показатель адиабаты; Р0 — атмосферное давление, Па; р0 — плотность газоноздушнои среды при температуре Т0 и давление Р0, кг/м ; Т0~ температура газоноздушной среды до начала работы генераторов, К.
Система уравнений (7—9) с учетом (10) и (11) в рамках сделанных приближении полностью описывает основные параметры газовоздушной среды в помещении при работе аэрозольных генераторов.
Полное решение этой системы нелинейных дифференциальных уравнений получено численными методами на ЭВМ. Затем проведено сравнение численного решения и экспериментальных данных.
Эксперименты были выполнены на лабораторном экспериментальном стенде в цилиндрическом сосуде объемом 50 дм3, высотой 800 мм и диаметром 300 мм. В качестве твердотопливной композиции использовался аэрозолеобра-зуюшии заряд типа Е-1 производства АО "Гранит".
При проведении опытов на одном из торцов сосуда устанавливались шайбы с калиброванными отверстиями диаметром 1,2; 2,1; 3,0 и 5,0 мм. Отсутствие отверстии соотоетстиовхю опытам в герметичном сосуде, а при их наличии негерметичность. определяемая отношением площади отверстий к внутренней поверхности сосуда, составляла 1,26-Ю-4; 3,87-10~4; 7,9-Ю-4; 2,2-10~3 % соответственно.
Результаты экспериментов (сплошные линии) сопоставлены с расчетом (пунктирные линии) на рис.3.
Результаты опытов свидетельствуют о наличии общей закономерности для всех кривых: они имеют максимум, фиксируемый на 5—8 с работы генератора. Результаты расчетов и экспериментов обнаружили хорошее совпадение. Объяснено наличие максимума давления, возникающего до окончания сгорания состава.
При решении практических вопросов применения аэрозольных генераторов численное решение системы дифференциальных уравнений для определения максимального давления, возникающего в защищаемом помещении при работе генераторов, не всегда удобно. Поэтому получено приближенное соотношение для вычисления максимального давления в зависимости от свойств аэрозольных составов, количества генераторов и характеристик защищаемых помещений:
где: А — безразмерный параметр, характеризующий величину максимального давления;и — количество генераторов в помещении; % — степень негерметичностн помещения, %; ¡¿т — время работы генератора.
При значениях А < 0,01 увеличением давления при срабатывании системы
аэрозольного пожаротушения можно пренебречь. В этом случае остекление не
будет разрушено. При 0,01 < А < 1,2 максимальное давление может быть
I 7
вычислено по формуле АРтах — 20Л ' , а при 1,2 < А < 120 — по формуле ДРт,«= 32-Л0-2.
Соотношение между расчетными значениями максимального давления и величиной безразмерного параметра А показано на рис.4.
Зависимость, представленная на рис.4, справедлива для негерметичности помещения от 0 до 5-10-|%, массы зарядов огнетушителей от 5 до 100 кг, времени работы генераторов от 5 до 100 с, объемов помещений от 120 до 1800 м3.
Для медленногорящих аэрозолеобразующих составов (например, состава К-1) характерны весьма незначительные максимальные давления даже при небольшой негерметичности помещений. Для быстрогорящих составов максимальное давление в помещении существенно возрастает.
Наличие открытых проемов во время работы генераторов приводит к потерям огнетушащего состава, что сказывается на эффективности тушения возникшего пожара. Для получения количественной зависимости между эффективностью тушения и степенью негерметичности помещения разработана мате-
1 -
0,368 Ь /V, СрРоУ
(12)
РИС.3. Зависимость максимального избыточного давлений от времени работы генераторов:
1 - герметичный сосуд;
2 - сосуд негерметичен: диаметр сбросного отверстия 3 мм;
3 - сосуд негерметичен: диаметр сбросного отверстия 5 мм.
* - момент окончания работы генератора
40 Т, с
матическая модель, основанная на следующих теоретических предпосылках. Газоаэрозольная среда в помещении с проемами представляет собой открытую термодинамическую систему. В этой среде в любой момент времени сохраняется локальное равновесие. Газоаэрозольная среда рассматривается как идеальный газ, состояние которого описывался уравнением Менделеева-Клайперона. Состояние газоаэрозольной среды характеризуется с помощью среднеобъемных значений термодинамических параметров (температуры, плотности, концентрации аэрозольного состава, давления). Для учета влияния негерметичности рассмотрено изменение давления с высотой от поверхности Земли.
Основные уравнения динамики создания огнетушащей среды в помещении с проемами представлены в виде:
йт
Л
с!те
= Р о бй - СЙ + ;
г СУ г .
^=еСа-- Оо+Н*в\ -аГ(Т- Ту,),
а! т
(13)
(14)
(15)
где: т — масса газовоздушной среды в помещении, кг; / — время, с; р0 — доля массы аэрозолеобразующей композиции, идущей на генерацию газов; ба — массовая скорость генерации огнетушащего вещества, кг/с; Со — массовая скорость истечения газовоздушной среды из проемов, кг/с; <?1 — массовая скорость притока воздуха в помещение через проемы, кг/с; те — масса огнету-
■АР,
пак кПа
10
0,1
0,01
0,01 0,1
10
РИС.4. Зависимость величины максимального избыточного давления при работе аэрозольных генераторов в негерметичных помещениях от параметра А
100 А
шашсго вещества (газоаэрозольного состава) в объеме помещения, кг: С — массовая концентрация газоаэрозольного состава и объеме помещения, кг/м*: Г — объем помещения, м3: Н - энтальпия газопоздушной среды в помещении. Дж: 0 — удельная теплота сгорания твердотопливной аэрозолеобразующеи композиции. Дж/кг; Н*- удельная энтальпия воздуха, поступающего и помещение, Дж/кг; а — коэффициент теплоотдачи от газовой среды к стенкам помещения, ВтДм^К); Р — площадь поверхности ограждающих конструкций и оборудования, м2; Т-среднеобъемная температура и помещении. К: Г„ — температура ограждающих конструкций и оборудования. К.
При составлении уравнений (13-15) принято, что проемы в помещении достаточно велики для того, чтобы среднеобъемное давление в помещении незначительно отличалось от атмосферного. Величина С. составляющая на пределе гашения около 0,05 кг/м\ значительно меньше плотности газовой среды в помещении, составляющей примерно 1 кг/м3.
Преобразовав систему уравнений (13—15) так же, как это было сделано с уравнениями (7-9), получили уравнение, описывающее динамику измерения параметров газовоздушной среды в помещении при работе генератора:
= с т СрГО"' С',С| т«)-аГ<т~>];"
¿С Л =
У[Са'СтСо
(16) (17)
где Ср — удельная теплоемкость газовой среды в помещении, ДжДкг К).
Удельные массовые скорости газовых потоков из помещения и в помещение на заданной высоте от поверхности земли описаны известными выражениями для докритического истечения.
В связи со сложностью аналитического решения полученной системы уравнений она численно решена на ЭВМ.
Расчеты проведены для помещения цилиндрической формы объемом 30 м3, высотой 2,8 м с внутренней поверхностью 54 м2, имеющего два проема. Один проем площадью 0,1 м2 расположен в потолке помещения, а другой, имеющий высоту 2 м и переменную ширину, расположен в боковой поверхности. Выбор параметров помещения обусловлен наличием экспериментальной камеры с указанными параметрами, в которой были проведены опыты по тушению модельных очагов газоаэрозольными составами.
При расчетах полагали, что в помещении находится один генератор с начальной массой огнетушащего вещества 3,0 кг. Время работы генератора т варьируется в диапазоне от 5 до 100 с. Параметр негерметичности помещения х изменяли от 0 до 6%.
Типичные результаты расчетов показаны на рис.5 и 6. На рис.7 и 8 представлены зависимости максимальной среднеобъемной концентрации огнетушащего состава Ст<к н температуры Ттах от времени работы генератора т при различных степенях негерметичности и массе заряда 3 кг.
Выполнены расчеты зависимостей Стих п Тпик от массы аэрозолеобразую-шего состава при различных значениях времени работы генератора и фиксированной степени негерметичности помещения.
Эксперименты по исследованию влияния негерметичности помещений на эффективность тушения проводили в модели помещения объемом 30 м3 и представляющей собой вертикальный цилиндр высотой 2,8 м и диаметром 3,7 м. Модель имела два постоянно открытых проема, один из которых площадью 0.1 м' расположен в потолке камеры, а другой (в виде прямоугольного отверстия шириной 0,9 м и высотой 2,0 м) — в боковой поверхности цилиндра. В этих условиях степень негерметичности составляла 3,5%. Опыты проводили следующим образом. Генератор огнетушащего аэрозоля, модельные очаги и термопары устанавливали в отведенных для них местах. Производили зажигание бензина и через 30 с после этого одновременно запускали генератор и потенциометр КСП-4. Результаты тушения оценивали визуально через смотровые окна камеры и с помощью термопар, расположенных под очагом.
Результаты экспериментов, представленные совместно с расчетными данными на рис.9—12, свидетельствуют об удовлетворительном согласии между расчетными значениями среднеобъемной температуры и экспериментальными значениями Т в средней и верхней частях объема камеры. Модуль позволяет прогнозировать максимальные среднеобъемные концентрации огнетушашего состава, превышающие 35 г/м\ достаточные для тушения модельных очагов.
Одним из вопросов, которые необходимо решать при проектировании систем аэрозольного пожаротушения, является учет влияния степени загроможденное™ помещения на огнетушащую концентрацию и время тушения. В диссертации ответ на этот вопрос получен экспериментальным путем.
В экспериментах использована герметичная камера объемом 0,5 м3, у противоположных стенок которой размещались: модельный очаг горения и С,'г/м3"
1
80
РИС.5. Результаты расчетов динамики среднеобъемной концентрации огнегушащего состава (V = 30 м3; ш3 = 3 кг;
60 -
20
40 -
■ г-------------,----------- , ■ 1
0,5 1,0 1,5 ' Цт
4 = 3,5%):
1 - т = 5 с;
2 - I = Юс;
3 - т = 20 с;
4 - г = 40 с;
5 - т = 60 с;
6 - I = 80 с; Г - х = 100 с
0
Т,°С "
400
200
300 !
РИС.6. Результаты расчетов среднеобьемной температуры газовой среды (V = 30 м3; ГПз = 3 кг; = = 3,5%);
100
0
0,5
1,0
1,5 Х/т:
>
1 - I = 5 с;
2 - I = Юс;
3 - т = 20 с;
4 - т = 40 с;
5 - х = 60 с;
6 - т = 80 с;
7 - г = 100 с
генератор с зарядом Е-1. Для предотвращения прямого воздействия струи аэрозоля на пламя между очагом горения и генератором размешался экран размерами 0,3x0,5x0,7 м. В качестве характеристики загроможденности примято отношение площади поверхности загромождающих препятствий к объему камеры. Величина загроможденности в опытах изменялась путем использования сеток с диаметром ячеек от 50 до 450 мкм. В экспериментах фиксировалась концентрация огнетушащего аэрозоля и время тушения модельного очага. В результате установлено, что между обратной величиной времени тушения т и концентрацией огнетушащего вещества С при различной загроможденности наблюдается линейная зависимость:
I
т
:а+ЬС.
(18)
Обработка экспериментальных данных позволила получить значения коэффициентов формулы (18): о = —0,0142, Ь = 4,419-Ю-4. Относительная средне-квадратическая погрешность аппроксимации (18) составляет при этом 29%.
С™,. г/м1 80
6040 20
РИС.7. Зависимость минимальных среднеобъемных концентраций огнетушащего состава от времени работы генератора т при различных степенях негерметичности и массе заряда ш = 3 кг:
1 - 5 = = 1,3%;
2 - 4 = 2,4%;
3 - 4 = 3,5%;
4 - Е, = 4,6%;
5 - 4 = 5,7%; 6-4 = 6,1%
20
40
60
80
100 т, с
РИС.8. Зависимость среднео-бъемной температуры от времени работы генератора т при различных степенях негерметичности 4 и массе заряда т~ 3 кг:
1 - 4 = = 1,3%;
2 - 4 = 2,4%;
3 - 4 = 3,5%;
4 - 4 = 4,6%;
5 - 4 = 5,7%; 6-4 = 6,1%
т, с
Экстраполяция (18) к значению х = оо (условие достижения минимальной огнетушащей концентрации) дает значение Стт — 32 г/м3. Учитывая, что величина нормативной огнетушащей концентрации заряда Е-1 составляет 50 г/м3, полученное значение (с определенным запасом надежности) представляется вполне достоверной величиной.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что изученный вид загроможденности не оказывает существенного влияния на огнетушащую эффективность аэрозолеобразующих составов. Однако, при этом увеличивается время тушения. Отмеченное обстоятельство не очень существенно для помещений с высокой степенью герметичности, но может оказаться решающим для помещений с постоянно открытыми проемами большой площади.
В четвертой главе изложены результаты исследования возможносш использования аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожаротушения.
<100 ♦
РИС.9. Изменение температуры в экспериментальной камере при тушении пламени бензина:
1 - расчетная кривая;
2 - показания верхней термопары;
3 - показания средней термопары;
4 - показания нижней термопары.
Условия проведения опыта: объем камеры 30 м3; масса аэрозолеобразующего состава 1,5 кг; камера герметична
200
О 150"
п £
1 100-
8
г
£
50-
20 40
60 80 Время,с
100 120 140
РИС.10. Изменение температуры в экспериментальной камере при тушенйи пламени бензина:
1 - расчетная кривая;
2 - показания верхней термопары;
3 - показания средней термопары;
4 - показания нижней термопары.
Условия проведения опыта: * обьем камеры 30 м3; масса 160 аэрозолеобразующего состава 1,0 кг; камера герметтна
Для этих целей НПО "СОТ" был разработан ручной забрасываемый генератор СОТ-5М, который предназначен для оперативного применения с целью тушения и локализации пожаров твердых горючих материалов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, электроизоляционных материалов и оборудования (в том числе находящегося под напряжением) в помещениях производственных, административных и жилых зданий и сооружений, на объектах энергетики, в складских помещениях, гаражах, цехах, офисах, подсобных помещениях, лабораториях научных и учебных заведений, на железнодорожном и автомобильном транспорте, морских и речных судах.
Наиболее эффективно использование аэрозольных генераторов СОТ-5М в условиях, когда существует угроза для жизни пожарных. Поскольку забрасывание огнетушителей в горящее помещение осуществляется извне, то воздействие на человека опасных факторов пожара — температуры, задымления, угрозы
РИС. 11. Изменение температуры в экспериментальной камере при тушении пламени бензина:
1 - расчетная кривая;
2 - показания верхней термопары;
3 - показания средней термопары;
4 - показания нижней термопары.
Условия проведения опыта: обьем камеры 30 м3; масса аэрозолеобразующего состава 4,8 кг; негерметичность камеры 3%
РИС.12. Изменение температуры в экспериментальной камере при тушении пламени бензина:
1 - расчетная кривая;
2 - показания верхней термопары;
3 - показания средней термопары;
4 - показания нижней термопары.
Условия проведения опыта: обьем камеры 30 м3; масса аэрозолеобразующего состава 3,0 кг; негерметичность камеры 3%
200 А
0 20 40 60 80 100 120
Время,с
0 20 40 60 80 100 120
Время,с
обрушения, поражения электрическим током снижается или отсутствует совсем.
Генераторы СОТ-5М прошли комплекс всесторонних испытаний во ВНИИ Противопожарной обороны МВД РФ, получили сертификат соответствия и рекомендованы Главным управлением Государственной противопожарной службы для оснащения пожарных частей.
На первом этапе была оценена принципиальная возможность использования СОТ-5М в качестве ручных забрасываемых огнетушителей. Для этого использовалась комната объемом 34 м3 с типичной пожарной нагрузкой. В одной из стен имелся открытый оконный проем размерами 1,2x0,7 м. После зажигания пожарной нагрузки обеспечивалось ее свободное горение в течение 10 мин. Затем внутрь помещения через открытый проем забрасывался ручной генератор СОТ-5М. Если пламенное горение не прекращалось, то производилось забрасывание второго генератора. Тушение считалось успешным, если в течение 30 мин после забрасывания второго генератора пламенное горение отсутствовало. Проведено пять параллельных опытов. Во всех случаях зафиксировано подавление пламенного горения. Второй этап исследования проведен во Владимирском гарнизоне пожарной охраны. Ручные генераторы были использованы при тушении 56 пожаров. Руководители тушения пожаров в 13 случаях отметили высокую эффективность СОТ-5М, в 38 случаях генераторы выполнили свою функцию: пожары были локализованы. В пяти случаях применение генераторов оказалось малоэффективным или неэффективным. Проведен анализ причин неэффективности применения ручных аэрозольных генераторов при тушении пожаров.
В 1995 году модифицированные ручные генераторы СОТ-5М использованы при тушении 182 пожаров. В процессе тушения израсходовано 490 генераторов. Результаты применения оценивались руководителями тушения пожаров. Локализация пожара в период боевого развертывания (до подачи основных огнету-шащих веществ) оценивалась как положительный итог применения СОТ-5М. Успешным признано применение аэрозольных генераторов в 78% случаев. Высокая эффективность достигнута при локализации и тушении пожаров в подвальных складских, жилых помещениях, торговых ларьках. Оказалось неэффективным применение СОТ-5М для тушения чердачных помещений. Это обусловлено большими объемами чердачных помещений, наличием значительных проемов и сильными воздушными потоками в условиях пожара. Весьма эффективным оказ;)лось применение генераторов СОТ-5М для тушения вагонов электропоездов. 11а основе опыта их применения на Московской железной дороге разработана тактика тушения вагонов. В январе—апреле 1996 г. на Московской железной
дороге произошло 19 пожаров в вагонах пригородных электропоездов. Дли тушения 14 вагонов были применены СОТ-5М. В 12 случаях пожары были ликвидированы или локализованы. В 1996 году Министерством путей сообщения РФ принято решение об оснащении генераторами СОТ-5М всех электропоездов, дизельпоездов и электровозов системы МПС России.
ВЫВОДЫ
1. Уточнен механизм огнетушащего действия аэрозольных составов на пламя.
2. Разработаны экспериментальные методы оценки показателей эффективности аэрозольных генераторов: времени срабатывания (инерционности), удельного массового выхода аэрозоля, температуры аэрозольной струи на выходе из генератора, зажигающей способности аэрозольной струи, огнетушащей эффективности генераторов.
3. Установлены условия пожаровзрывобезопасного функционирования аэрозольных генераторов в горючих газовоздушных смесях.
4. Определены условия зажигания твердых горючих материалов аэрозольными генераторами типа СОТ и сформулированы требования к безопасному применению этих генераторов.
5. Разработана математическая модель процесса нарастания давления в защищаемом помещении при срабатывании аэрозольных генераторов, создана экспериментальная установка для проверки расчетных величин, определены условия разрушения остекления при срабатывании генераторов.
Установлено, что для медленногоряших аэрозолеобразующих составов характерно незначительное повышение давления в помещении; для быстрогоря-щих составов давление существенно возрастает.
6. Разработана математическая модель процесса создания огнетушащей среды в объеме негерметичного помещения. Результаты расчетов подтверждены экспериментально, что позволяет использовать разработанный метод для прогнозирования величин среднеобъемных концентраций огнетушащих составов для тушения пожаров.
7. Исследовано влияние загроможденности объемов защищаемых помещений на эффективность аэрозольного пожаротушения. Установлено, что при небольшой загроможденности снижение эффективности пожаротушения не наблюдается.
8. Определена возможность применения аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожаротушения, сформулированы условия наиболее эффективного применения, разработаны рекомендации по использованию гене-
раторов оперативными подразделениями пожарной охраны.
9. Результаты диссертационного исследования использованы при разработке Норм пожарной безопасности, утвержденных Главным управлением Государственной противопожарной службы МВД России:
— НПБ 60-97. Пожарная техника. Генераторы огнетушащего аэрозоля. Общие технические требования. Методы испытаний;
— НПБ 61-97. Установки аэрозольного пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования и применения.
Основное содержание диссертации изложено в работах:
1. Шумяцкий О.В., Корольченко Д.А. Огнетушители СОТ. — Пожаровзрывобе-зопасность, 1994, т.З, №1, ç.54-56.
2. Логинов C.B., Корольченко Д.А. Использование генераторов огнетушащего аэрозоля СОТ в практике пожаротушения. — ПожаровзрывобезопасносТь, 1995, т.4, №4, с.79-83.
3. Реутг М.В., Корольченко Д.А. Опыт применения огнетушителей типа СОТ-5М пожарными подразделениями. — Пожарная безопасность, информатика и техника, 1996, №3(17), с.110-112.
4. Шумяцкий О.В., Корольченко Д.А. Аэрозольное пожаротушение на подвижном составе железнодорожного транспорта. — Пожарная безопасность, информатика и техника, 1996, Nä3(17), с.160.
5. Корольченко Д.А., Азатян В.В., Горшков В.И., Шебеко Ю.Н., Навценя В.Ю., Яшин В.Я. Основные факторы, определяющие воздействие газоаэрозольных огнетушащих составов на процессы горения. — ПожаровзрывобезопасносТь, 1997, т.6, №4, с.3-6.
6. Навценя В.Ю., Корольченко Д.А., Трунев A.B. и др. Экспериментальное исследование зажигающей способности генераторов огнетушащего аэрозоля по отношению к твердым горючим веществам и материалам. — ПожаровзрывобезопасносТь, 1997, т.6, №1, с.53-56.
7. Навценя В.Ю., Корольченко Д.А., Трунев A.B. и др. Исследование возможности пожаровзрывобезопасного функционирования генераторов огнетушащих аэрозолей в средах с горючими газопаровоздушными смесями. — ПожаровзрывобезопасносТь, 1997, т.6, №1, с.57-62.
8. Goishkov V.l., Korolchenko D.A., Shebeko Yu.N., Navzenya V.Yu., Kostyuhin A.K. The peculiarities of application of gas—aerosol fire extinguishing tools in various rooms. — 2th Int. Seminar Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations. Book of Abstracts. - M., 1997, p.160-161.
9. Корольченко Д.А. Новое поколение газоаэрозольных генераторов. — ПожаровзрывобезопасносТь, 1998, т.7, №2, с.71-74.
Научно-производственное объединение "СОТ"
На правах рукописи
КОРОЛЬЧЕНКО Дмитрий Александрович
ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ АЭРОЗОЛЬНЫМИ
СОСТАВАМИ
Специальность: 05.26.03 Пожарная безопасность
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Ю.Н. Шебеко
Москва, 1998 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение................................................................................................5
Глава 1. Анализ способов объемного пожаротушения...................12
1.1. Использование газовых составов для тушения пламени........................................................................13
1.2. Подавление пламени порошками...............................32
1.3. Газоаэрозольное пожаротушение................................50
1.4. Сравнительная эффективность различных способов объемного пожаротушения...............................59
1.5. Выбор направлений исследований.............................60
Глава 2. Основные характеристики генераторов огнетуша-
щего аэрозоля и методы их определения.........................62
2.1. Механизм огнетушащего действия аэрозольных составов..................:.....................................................62
2.2. Основные показатели эффективности работы генераторов...................................................................68
2.3. Время срабатывания (инерционность) генераторов........................,....................................................69
2.4. Удельный массовый выход аэрозоля..........................70
2.5. Температура аэрозоля на выходе из генератора, время работы генератора.............................................70
2.6. Зажигающая способность аэрозольной струи............73
2.7. Огнетушащая эффективность......................................89
Глава 3. Особенности тушения пожаров стационарными
установками на основе генераторов огнетушащего
аэрозоля...............................................................................93
3.1. Оценка давления, развиваемого в помещении
при сгорании аэрозолеобразующего состава..............93
3.1.1. Математическая модель процесса....................94
3.1.2. Описание экспериментальной установки
и методики проведения эксперимента............97
3.1.3. Экспериментальные данные и их обсуждение..................................................................98
3.2. Зависимость эффективности газоаэрозольного
тушения от степени негерметичности защищаемого помещения..................................................103
3.2.1. Математическая модель процесса создания огнетушащей среды в объеме помещения ..............................................................103
3.2.2. Результаты расчетов и их обсуждение...........107
3.2.3. Методика проведения экспериментальных исследований влияния негерметичности помещений на эффективность тушения ..............................................................112
3.2.4. Проверка адекватности математической модели экспериментальным данным.............113
3.3. Влияние загроможденности объема помещений
на эффективность тушения.......................................116
3.3.1. Методика проведения экспериментов...........117
3.3.2. Экспериментальные данные и их обсуждение................................................................119
Глава 4. Использование аэрозольных генераторов в качестве
первичных средств пожаротушения.................................123
4.1. Конструкции ручных забрасываемых аэрозольных огнетушителей....................................................124
4.2. Исследование возможности применения ручных аэрозольных огнетушителей..............................124
4.3. Особенности применения ручных аэрозольных огнетушителей в помещениях различного назначения.....................................................................129
4.4. Применение СОТ-5М на подвижном составе железнодорожного транспорта..................................130
Выводы.............................................................................................132
Список литературы..........................................................................134
ВВЕДЕНИЕ
В течение длительного времени одним из основных огнетушащих веществ в системах объемного пожаротушения были фреоны. Однако, к середине 80-х годов исследователями разных стран была сформулирована гипотеза о влиянии бромсодержащих фреонов (наиболее эффективных в пожаротушении) на процесс разрушения озонового слоя Земли.
В атмосфере Земли озон содержится в небольших количествах,
' 1 гр _ о и
главным образом, в стратосфере. Тонкии озоновый слои является экраном, ослабляющим поток на Землю коротковолнового ультрафиолетового излучения от Солнца. Значителен вклад озона в формирование теплового режима атмосферы и поверхностного слоя Земли. С середины 70-х годов было зафиксировано утоньшение озонового слоя. По результатам исследования атмосферы с самолетов-лабораторий была установлена корреляция между снижением концентрации озона и аномально высокими концентрациями в атмосфере оксидов хлора и соединений брома. Сопоставляя полученные данные с закономерностями движения воздушных масс над южным полюсом, исследователи признали наиболее вероятной причиной разрушения стратосферного озона увеличивающиеся выбросы в атмосферу галогенсодержащих соединений (в первую очередь фреонов). Учитывая темпы дальнейшего загрязнения атмосферы, пред- ' сказывается на ближайшие десятилетия дальнейшее уменьшение озонового слоя над планетой. Изменить обнаруженные тенденции с разрушением атмосферного озона может только резкое уменьшение выбросов в атмосферу вредных для озона соединений [15].
Выводы ученых ускорили разработку мероприятий по выполнению Венской конвенции по охране озонового слоя, принятой ООН в 1985 г. Группой экспертов был подготовлен Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой [80]. Этот протокол был подписан промыпхленно развитыми странами, включая СССР. Монреальским про-
токолом зафиксированы озоноразрушающие потенциалы фреонов и установлены сроки постепенного сокращения их производства.
Поиски новых веществ, способных заменить хладоны в системах объемного пожаротушения, охватывали три направления: синтез новых озононеразрушающих хладонов (например, 124В1, 22В1, 133В1), использование комбинированных составов, в рецептуре которых хладоны занимали незначительную долю [12],. и, наконец, создание альтернативных хладонам средств объемного пожаротушения [19, 88].
Наиболее эффективными альтернативными средствами объемного пожаротушения оказались аэрозолеобразующие огнетушащие составы, представляющие собой твердотопливные или пиротехнические композиции, способные к самостоятельному горению без участия воздуха с образованием инертных газов, высокодисперсных солей и окислов щелочных металлов. Смесь этих продуктов обладает высокой огнетушащей способностью по отношению к пламенам углеводородов.
Использование газоаэрозольных средств для тушения пожаров впервые предложено в начале XIX века. Однако, высказанная идея длительное время не находила практического применения.
Интенсивное развитие работ по созданию средств газоаэрозольного пожаротушения на основе современных достижений науки о порохах,, твердых ракетных топливах и пиротехнических составах наблюдалось в Советском Союзе (и затем - в Российской Федерации) в период 19801990 г.г. В этот период специалистами ВНИИ Противопожарной обороны МВД РФ совместно с сотрудниками предприятий оборонного комплекса — НИИ Прикладной химии (г. Сергиев Посад) и СКТБ "Технолог" (г. Санкт-Петербург) были созданы рецептуры аэрозолеобра-зующих огнетушащих составов, способы и устройства тушения пожаров на их основе. На первом этапе руководителем этих работ был А.Н.Баратов, затем — Н.П.Копылов. Впоследствии к созданию газоаэрозольных средств пожаротушения подключились ЛНПО "Союз" (г. Дзер-
жинский, Московской обл.), НИИПМ (г. Пермь), АООТ "Гранит-Саламандра" (г. Москва) и другие организации.
В результате исследований, выполненных В.В.Агафоновым, А.Ф.Шевлаковым (ВНИИПО МВД РФ), Ю.А.Милицыным (ЛНПО "Союз"), О.А.Дубравой (АООТ "Гранит-Саламандра") разработаны композиции твердотопливных аэрозолеобразующих составов. Усилиями Ю.Н.Шебеко, С.Г.Цариченко, В.И.Горшкова, В.Ю.Навцени (ВНИИПО МВД РФ) созданы методики оценки эффективности подобных составов и генераторов ошетушащего аэрозоля. И.А.Болодьяном с сотр. (ВНИИПО МВД РФ) предложены математические модели для описания процессов переноса газоаэрозольных смесей в объеме защищаемых помещений.
Разработанные аэрозолеобразующие составы представляют собой твердые "шашки" цилиндрической формы, получаемые методами прессования смеси порошкообразных компонентов или литья с последующим отвержением. В состав композиции входят горючие компоненты и окислители.
В качестве горючих компонентов обычно используются эпоксидные смолы, металлы, сера, уголь, в качестве окислителей - хлораты, перхлораты, селитры. При сгорании подобных составов образуются смеси, газов и высокодисперсных твердых частиц. Разработка и совершенствование рецептур аэрозолеобразующих составов связаны с необходимостью решения 'задачи оптимизации составов по комплексу характеристик, обеспечивающих высокую огнетушащую эффективность, возможно низкую температуру продуктов сгорания, невысокую токсичность, достаточную скорость горения и ряд других [2].
Созданные аэрозольные генераторы имеют цилиндрическую форму корпуса. В корпусе, служащем камерой сгорания, размещается заряд аэрозолеобразующего состава и воспламенитель. Для выпуска продуктов
горения в торце корпуса располагают одно или несколько сопловых отверстий.
Проведенная ВНИЙПО проверка аэрозолеобразующих составов и аэрозольных установок пожаротушения в лабораторных и полигонных условиях показала их высокую огнетушащую эффективность, хорошие эксплуатационные свойства. Аэрозоль, образованный при горении конденсированного заряда, способен при отсутствии проветривания находиться в защищаемом объеме во взвешенном состоянии до 50 мин. Отмеченные обстоятельства позволили рассматривать аэрозолеобразующие составы в качестве высокоэффективной замены традиционным способам объемного пожаротушения в складских, производственных и других помещениях малого и среднего объема [32].
Токсикологическими исследованиями среды, образующейся при сгорании различных рецептур аэрозолеобразующих составов, установлено различное по степени тяжести влияние на биологические показатели подопытных животных [14]. Ведущими токсическими компонентами при этом являются: оксид углерода, оксиды азота и твердые частицы солей калия размерами до 5 мкм. С учетом этого обстоятельства при срабатывании системы аэрозольного тушения люди должны покинуть защищаемое помещение или воспользоваться средствами защиты органов дыха-, ния изолирующего типа.
Накопленный опыт применения систем аэрозольного пожаротушения позволяет сделать вывод о высокой эффективности данного способа и одновременно - о наличии ряда проблем, нерешенность которых препятствует широкому применению аэрозольных генераторов.
Среди нерешенных проблем следует отметить: - отсутствие комплекса методов, позволяющих объективно оценивать основные характеристики генераторов огнетушащего аэрозоля; возможность разгерметизации защищаемого помещения при срабатывании аэрозольных генераторов;
влияние негерметичности защищаемого помещения на эффективность газоаэрозольного пожаротушения;
- влияние загроможденности защищаемого помещения технологическим оборудованием на эффективность газоаэрозольного пожаротушения;
- возможность применения аэрозольных огнетушителей в качестве первичных средств пожаротушения.
Решение перечисленных проблем является целью диссертационной работы. В связи с этим, запланирована постановка следующих задач: разработка методики оценки огнетушащей эффективности аэрозольных генераторов, разработка методик, характеризующих работоспособность аэрозольных генераторов: время срабатывания, температуру аэрозольной струи на выходе из генератора, зажигающую способность аэрозольной струи, разработка метода определения давления, развиваемого в помещении при сгорании аэрозолеобразующих составов, установление влияния степени негерметичности защищаемых помещений на эффективность газоаэрозольного пожаротушения, выявление влияния степени загроможденности помещения технологическим оборудованием на эффективность газоаэрозольного пожаротушения, оценка возможности применения аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожароту- , шения.
На защиту выносятся следующие научные результаты: уточнение механизма огнетушащего действия аэрозольных составов, получаемых из твердотопливных композиций;
- обоснование методов оценки эффективности аэрозольных генераторов;
- результаты изучения условий зажигания горючих газовых смесей и твердых легковоспламеняющихся материалов аэрозольными генераторами типа СОТ;
- расчетный метод определения давления, развиваемого в помещении, при срабатывании аэрозольных генераторов;
- экспериментальные данные исследования влияния загроможденно-сти защищаемого помещения на эффективность аэрозольного пожаротушения;
- обоснование возможности применения аэрозольных генераторов в качестве первичных средств пожаротушения.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в использовании полученных результатов в нормативных документах, регламентирующих технические требования к аэрозольным генераторам, методы их испытаний, правила проектирования и применения. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по использованию аэрозольных генераторов оперативными подразделениями пожарной охраны.
Материалы диссертации доложены на Втором международном семинаре "Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagration" (Москва, 1997 г.), на научных семинарах во ВНИИ Противопожарной обороны (1996, 1997 г.г.).
По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ:
1. Шумяцкий О.В., Корольченко Д.А. Огнетушители СОТ. — Пожа-, ровзрывобезопасность, 1994, т.З, №1, с.54-56.
2. Логинов C.B., Корольченко Д.А. Использование генераторов огне-туш'ащего аэрозоля СОТ в практике пожаротушения. — Пожаров-зрывобезопасность, 1995, т.4, №4, с.79-83.
3. Реутт М.В., Корольченко Д.А. Опыт применения огнетушителей типа СОТ-5М пожарными подразделениями. — Пожарная безопасность, информатика и техника, 1996, №3(17), с.110-112.
4. Шумяцкий О.В., Корольченко Д.А. Аэрозольное пожаротушение на подвижном составе железнодорожного транспорта. — Пожарная безопасность, информатика и техника, 1996, №3(17), с. 160.
5. Корольченко Д.А., Азатян В.В., Горшков В.И., Шебеко Ю.Н., Навценя В.Ю., Яшин В.Я. Основные факторы, определяющие воздействие газоаэрозольных ошетушащих составов на процессы горения. — Пожаровзрывобезопасность, 1997, т.6, №4, с.3-6.
6. Навценя В.Ю., Корольченко Д.А., Трунев А.В. и др. Экспериментальное исследование зажигающей способности генераторов огне-тушащего аэрозоля по отношению к твердым горючим веществам и материалам. - Пожаровзрывобезопасность, 1997, т.6, №1, с.53-56.
7. Навценя В.Ю., Корольченко Д.А., Трунев А.В. и др. Исследование возможности пожаровзрывобезопасного функционирования генераторов ошетушащих аэрозолей в средах с горючими газопаровоздушными смесями. — Пожаровзрывобезопасность, 1997, т.6, №1, с.57-62.
8. Gorshkov V.I., Korolchenko D.A., Shebeko Yu.N., Navzenya V.Yu., Kostyuhin A.K. The peculiarities of application of gas—aerosol fire extinguishing tools in various rooms. — 2th Int. Seminar Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations. Book of Abstracts. - M., 1997, p.160-161.
9. Корольченко Д.А. Новое поколение газоаэрозольных генераторов. — Пожаровзрывобезопасность, 1998, т.7, №2, с.71-74.
Глава 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОБЪЕМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Газоаэрозольное тушение является одним из способов объемного пожаротушения. Поэтому в первой главе, посвященной литературному обзору проблемы объемного пожаротушения, рассмотрены особенности данного способа, наиболее распространенные средства объемного пожаротушения — газовые составы и огнетушащие порошки. Выполнен сравнительный анализ эффективности различных средств объемного пожаротушения, определены направления диссертационного исследования.
Объемное пожаротушение является одним из самых эффективных способов подавления горения. Его обычно применяют в достаточно герметичных помещениях. При объемном пожаротушении огнетушащая среда создается во всем объеме защищаемого объекта. В некоторых случаях способ объемного тушения используют для противопожарной защиты локального участка в больших объемах. Но при этом необходимо предусматривать повышенный расход огнетушащих веществ.
При объемном пожаротушении применяют огнетушащие вещества, которые могут распределяться в защищаемом объеме и создавать в каждом его элементе огнетушащую концентрацию. В качестве средств объемного тушения используют газовые и порошковые составы, механизм огнетуша-щего действия которых рассмотрен ниже.
Способ объемного тушения является достаточно эффективным, поскольку он обеспечивает не только быстрое прекращение горения в любой точке защищаемого объема, но и флегматизацию среды в этом объеме, т.е. предупреждает возможное образование взрывоопасных смесей.
Основными характеристиками огнетушащих составов, используемых при объемном пожаротушении являются: огнетушащая эффективност
