CC BY
58
УДК 62-1/-9
ОГНЕТУШАЩАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УСТАНОВОК ПОЖАРОТУШЕНИЯ
ТОНКОРАСПЫЛЕННОЙ ВОДОЙ С ОРОСИТЕЛЯМИ С СОУДАРЯЮЩИМИСЯ СТРУЯМИ
А.А. Сперанский, С.В. Мамагин, С.А. Бороздин, Э.Л. Алешин
На основании результатов экспериментальных исследований разработан опытный образец оросителя тонкораспыленной воды с соударяющимися струями низкого давления, обеспечивающий оптимальную форму зоны орошения защищаемой площади, что позволяет снизить расход воды, подаваемой на тушение, на 30-35%. Определены параметры установок пожаротушения, требуемые для ликвидации очагов пожаров различных классов.
Ключевые слова: тонкораспыленная вода, распылитель, огнетушащая эффективность, соударяющиеся струи.
Существующие установки пожаротушения: газовые, хладоновые, порошковые, пенотушения и пиротехнические огнетушащие составы имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются необходимость хранения запаса огнетушащих веществ или компонентов для их получения и невозможность использования этих установок при наличии людей в помещении. Повышение требований к экологической чистоте применяемых средств пожаротушения накладывает дополнительные ограничения на использование подобных установок. Так, например, использование хладонов 12В1, 13В1, 114В2 в целях пожаротушения исключается ввиду угрозы озоновому слою Земли [1].
В настоящее время актуальным становится вопрос об использовании тонкораспыленной (с диаметром капель менее 150 мкм) воды как высокоэффективного огнетушащего средства, оптимизации параметров распыления для повышения эффективности процесса тушения и разработки установок пожаротушения для конкретных условий эксплуатации защищаемого объекта.
Тонкораспыленная вода (ТРВ) обладает рядом незаменимых преимуществ, которых лишены установки газового, порошкового и аэрозольного пожаротушения: безопасностью для людей, высокой охлаждающей и дымоосаждающей способностью, взрывопожаробезопасностью, дешевизной,
экологической чистотой.
Анализ исследований по использованию ТРВ в целях пожаротушения позволил выделить три основных составляющие механизма тушения: охлаждение зоны горения, снижение концентрации кислорода в окружающей среде за счет его замещения парами воды и ослабление теплового излучения от пламени.
Эффективность ТРВ как огнетушащего средства определяется следующими основными факторами:
- размерами капель (дисперсностью);
- интенсивностью орошения;
- наличием добавок в воде.
В работе [2] показано, что в широком диапазоне исследованных параметров эффективность теплообмена капель с пламенем обратно пропорциональна корню квадратному из среднего диаметра капель. А в работе [3] отмечается, что молекулы водяного пара оказывают ингибирующее воздействие на пламя.
Интенсивность подачи распыленной воды должна быть достаточна для поглощения тепла, выделяющегося при пожаре, поэтому она является важной характеристикой установок пожаротушения.
На огнетушащую эффективность ТРВ влияет наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других добавок к воде, от которых зависит величина поверхностного натяжения, вследствие чего повышается степень дисперсности капель и смачивающая способность при тушении твердых горючих материалов, или образование пленки на поверхности при тушении горючих жидкостей [4].
В России и за рубежом появилось большое количество установок пожаротушения ТРВ, различающихся конструкцией распылителей, дисперсностью капель, скоростью и направлением капельного потока, составами и концентрацией добавок к воде. Интенсивность и время подачи воды, требуемые для тушения однотипных очагов пожара такими установками пожаротушения с различными распыливающими устройствами, также имеют различные значения.
Таким образом, основные нормативные параметры - интенсивность орошения и продолжительность подачи тонкораспыленной воды должны определяться для каждого конкретного типа распылителя установок пожаротушения и типа защищаемого объекта экспериментально, путем проведения огневых опытов на модельных очагах пожара.
Максимальная площадь, защищаемая одним распылителем, ее форма и размеры должны определяться по эпюрам интенсивности орошения из условия обеспечения на всей защищаемой площади интенсивности не ниже нормативной. Эпюры
интенсивности должны строиться по результатам испытаний.
Количественным показателем
эффективности пожаротушения ТРВ служит нормативная интенсивность орошения.
Нормативная интенсивность орошения определяется как
J = k • J k_
кр '
где: кз - коэффициент запаса, учитывающий особенности горючего материала в
Л
конкретных условиях;
кр
критическая
интенсивность орошения, ниже которой тушение не происходит.
Таким образом, актуальной задачей является определение критической интенсивности орошения, требуемой для различных видов горючей нагрузки.
В соответствии с методическими указаниями
[5] Лкр определяется экспериментальным путем
следующим образом. По результатам опытов строится график в координатах: интенсивность
орошения Л - продолжительность времени тушения
(т . По графику устанавливают Л кр как значение,
к которому асимптотически приближается
полученная кривая при уменьшении величины Л . Находят нормативную интенсивность подачи распыленной воды:
лн = К • Лр (к3 = 1,2).
Определяют время тушения очага при нормативной интенсивности подачи воды Лн (по графику зависимости
tт = / (Л) ).
По конструктивному исполнению разрабатываемые в настоящее время установки пожаротушения ТРВ подразделяются на два основные класса: установки низкого (до 1,2 МПа) и высокого (более 3,5 МПа) давления. Установки низкого давления могут работать как на пресной, так и на морской воде, подаваемой от насосов с напором до 1,2 МПа в течение длительного времени, имеют большую надежность и сравнительно малую стоимость. Установки высокого давления отличаются меньшими массо-габаритными показателями, однако требуют применения высоконапорных насосов или баллонов со сжатым газом, трубопроводов высокого давления, емкостей для хранения запасов пресной воды, время их работы ограничено, а стоимость значительно выше, чем у установок низкого давления.
В настоящее время существуют различные способы формирования и транспортирования высокодисперсных капель в очаг горения.
Наиболее перспективный способ дробления жидкости на капли реализуется путем соударения струй жидкости. В месте их встречи образуется пленка жидкости, которая под воздействием создавшихся на ней поперечных волн дробится на капли. При этом потери энергии на создание капельного потока по сравнению с газожидкостным дроблением уменьшаются в 2 - 2,5 раза [6].
Большинство разработанных к настоящему времени распылителей имеют круговую форму зоны орошаемой поверхности. При этом для обеспечения на всей защищаемой площади интенсивности орошения не ниже нормативной, необходимо перекрытие зон орошения рядом стоящих распылителей, что приводит к увеличению общего расхода воды, подаваемой на тушение (рис. 1а). Очевидно, что для уменьшения площади перекрытия форма зон орошения должна быть близкой к квадратной (рис. 16).
Рис.1. Формы зон орошения различных типов распылителей. а) - круговая форма зоны орошения; б) - зона орошения, близкая к квадратной
С учетом вышесказанного был разработан опытный образец распылителя ТРВ с соударяющимися струями низкого давления (рис.2). Распыление огнетушащего вещества в нем происходит за счет соударения и дробления струй жидкости, подаваемых из выходных отверстий корпуса распылителя под определенными углами и формирования тонкодисперсных капельных потоков.
Конструкция распылителя обеспечивает во всем диапазоне рабочих давлений форму зоны орошения защищаемой площади, близкую к квадратной. При совместной работе нескольких распылителей в составе установки пожаротушения по сравнению с установками, где используются распылители с зоной орошения в форме круга, распылители с квадратной зоной орошения позволяют уменьшить площадь перекрытия защищаемой поверхности на 30-35% (см. рис.1), что снижает общий расход подаваемого на тушение огнетушащего вещества и ущерб от пролитой воды на защищаемом объекте.
Основные технические характеристики распылителя приведены в таблице 1.
Рис.2. Опытный образец распылителя
Таблица 1
Основные технические характеристики распылителя
Наименование параметра Значение параметра
Коэффициент производительности, дм3/с 0,11
Диапазон рабочих давлений, МПа 0,4 - 1,0
Расход воды, л/с 0,73 - 1,10
Защищаемая площадь с интенсивностью орошения не менее 0,020 л/см2 (при минимальном рабочем давлении и высоте установки распылителя 2,5 м), м2
9,0
Форма и размеры защищаемой площади, м квадрат 3,0x3,0
Среднеарифметический диаметр капель, не более, мкм 150
Корневой угол раскрытия струи у распылителя, град 170
Габаритные размеры, не более:
- диаметр, мм; 30
- высота, мм 30
Масса, не более, кг 0,05
Нормативная интенсивность орошения распылителем ун), требуемая для тушения очагов пожара различных классов, определялась при проведении огневых испытаний на
экспериментальном стенде в соответствии с требованиями Руководства [5].
Скорость выгорания горючих жидкостей зависит от диаметра сосуда. В работе [8] указано, что при увеличении диаметра, начиная с 1,3 м, скорость выгорания перестает изменяться. Таким образом, диаметры очагов, моделирующих условия реального пожара, должны быть не менее 1,3 м (площадь горения 1,33 м2).
В качестве горючей нагрузки модельных очагов пожара класса А использовалась древесина сосны (штабель, сложенный из 32 брусков размером (30^30x300) мм, а очагов класса В - бензин А-76 (Твсп = -30 °С), дизельное топливо Л-62 (Твсп = 65 °С) и гидравлическое масло АМГ-10 (Твсп = 92 °С), налитые в противни диаметром 1,3 м.
Модельные очаги устанавливались в местах с предварительно определенной интенсивностью орошения.
Эпюры интенсивности орошения распылителем защищаемой площади, построенные в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51043-2002 [7], приведены на рис.3.
Рис.3. Эпюры интенсивности орошения защищаемой площади при различных давлениях перед распылителем
В качестве огнетушащего вещества использовалась водопроводная вода и вода с 1% добавкой пленкообразующего пенообразователя «Пенофор».
Высота размещения распылителя ТРВ составляла 3 м. Изменение интенсивности орошения производилось за счет изменения давления перед распылителем в диапазоне от 0,4 до 1,0 МПа.
По результатам испытаний определялись критическая и нормативная интенсивность орошения Jн и необходимые для обеспечения Jн давления перед распылителем (Р), расход воды через распылитель ^), а также время тушения (^ ).
Параметры, требуемые для тушения очагов пожара различных классов при использовании опытного образца распылителя, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Параметры, требуемые для тушения очагов пожара различных классов при использовании опытного
образца распылителя
Параметры Горючая нагрузка
Бензин А-76 Диз.топливо Л-62 Гидравлическое масло АМГ-10 Древесина
J„, л/с-м2 0,078 (0,072)* 0,075 (0,070)* 0,072 0,070
P, МПа 0,5 (0,4)* 0,5 (0,4)* 0,4 0,4
Q, л/с 0,78 (0,73)* 0,78 (0,73)* 0,73 0,73
t т , с 17 (8)* 15 (9)* 6 320
Примечание: * - значение параметра при добавке к воде 1% пенообразователя «Пенофор».
Анализ результатов проведенных испытаний показал, что опытный образец распылителя ТРВ с соударяющимися струями низкого давления обеспечил эффективное тушение очагов пожара классов А и В по ГОСТ 27331-87.
Конструкция распылителя, обеспечивающая форму зоны орошения, близкую к квадратной, при совместной работе распылителей в составе установки пожаротушения позволяет на 30-35% снизить общий расход подаваемой на тушение воды по сравнению с распылителями, создающими зону орошения в виде круга.
Библиография
1. NFPA 2001. Standart of clean agent fire extinguishing sistems.
2. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях /А.С. Лышевский. - Л.: Судостроение, 1971. - 248 с.
3. Шебеко Ю.Н., Цариченко С.Г., Трунев А.В., Каплин А.Ю. Исследование характеристик горения водородосодержащих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах / Ю.Н. Шебеко, С.Г. Цариченко, А.В. Трунев, А.Ю. Каплин // Физика горения и взрыва. - 1994. - Т.30. №1. - С. 16-19.
4. Потанин Б.В., Сперанский АА., Звенячкин В.Е. Влияние дисперсности и добавок ПАВ на огнетушащую эффективность тонкораспыленной воды / Б.В. Потанин, А.А. Сперанский, В.Е. Звенячкин // Пожарная безопасность и охрана труда в газовой и химической промышленности: сб. материалов V Всерос. науч.-практ. конф. - М., 1999. - С. 88-90.
Большой корневой угол позволяет снизить температуру в объеме верхней зоны помещения и концентрацию токсичных газов, обеспечить эффективное дымоосаждение и орошение боковых поверхностей помещения, использовать распылители для защиты помещений с малой высотой и в водяных завесах.
Добавка к воде пенообразователей позволяет повысить огнетушащую эффективность установок пожаротушения ТРВ с оросителями с соударяющимися струями.
References
1. NFPA 2001. Standart of clean agent fire extinguishing sistems.
2. Lyshevskij A.S. Raspylivanie topliva v sudovyh dizelyah /A.S. Lyshevskij. - L.: Sudostroenie, 1971. - 248 s.
3. SHebeko YU.N., Carichenko S.G., Trunev A.V., Kaplin A. YU. Issledovanie harakteristik goreniya vodorodosoderzhashchih parogazovyh smesej pri povyshennyh davleniyah i temperaturah / YU.N. SHebeko, S.G. Carichenko, A.V. Trunev, A.YU. Kaplin // Fizika goreniya i vzryva. - 1994. - T.30. №1. - S. 16-19.
4. Potanin B.V., Speranskij A.A., Zvenyachkin V.E. Vliyanie dispersnosti i dobavok PAV na ognetushashchuyu ehffektivnost' tonkoraspylennoj vody / B.V. Potanin, A.A. Speranskij, V.E. Zvenyachkin // Pozharnaya bezopasnost' i ohrana truda v gazovoj i himicheskoj promyshlennosti: sb. materialov V Vseros. nauch.-prakt. konf. -M., 1999. - S. 88-90.
5. Rukovodstvo po opredeleniyu parametrov
5. Руководство по определению параметров автоматических установок пожаротушения тонкораспыленной водой. -М.: ВНИИПО, 2004. - 16 с.
6. Оптимизация параметров потоков тонкораспыленных огнетушащих веществ / Душкин А.Л., Карпышев А.В., Сегаль М.Д. // Пожаровзрывобезопасность. - 2010. - Т19., №1. -С. 39-44.
7. ГОСТ Р 51043-2002. Установки водяного и пенного пожаротушения автоматические. Оросители. Общие технические требования. Методы испытаний.
8. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ / В.Т. Монахов. - М.: Химия, 1979. - 423 с.
avtomaticheskih ustanovok pozharotusheniya tonkoraspylennoj vodoj. - M.: VNIIPO, 2004. - 16 s.
6. Optimizaciya parametrov potokov tonkoraspylennyh ognetushashchih veshchestv / Dushkin A.L., Karpyshev A.V., Segal'M.D. //Pozharovzryvobezopasnost'. - 2010. - T19., №1. - S. 39-44.
7. GOST R 51043-2002. Ustanovki vodyanogo i pennogo pozharotusheniya avtomaticheskie. Orositeli. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya. Metody ispytanij.
8. Monahov V. T. Metody issledovaniya pozharnoj opasnosti veshchestv / V.T. Monahov. - M.: Himiya, 1979. - 423 s.
FIRE-EXTINGUISHING EFFICIENCY OF FIRE EXTINGUISHING UNITS WITH THIN OPEN WATER WITH FILLERS WITH CONJUGING JETS
Based on the results of the experimental studies, a prototype of a sprinkler of finely-dispersed water with colliding low-pressure jets was developed, which ensures the optimum shape of the irrigated area of the protected area, which allows reducing the water consumption for extinguishing by 30-35%.
The parameters of the fire extinguishing installations required to eliminate fires of different classes are determined.
Key words: finely dispersed water, nebulizer, fire extinguishing efficiency, colliding jets. Сперанский Александр Александрович,
старший научный сотрудник Научно-исследовательского института перспективных исследований и инновационных технологий в области безопасности жизнедеятельности,
ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Россия, г. Санкт-Петербург, телефон: (812)441-0227, (812)441-0747. Speransky A.A.,
Senior Researcher of the Research Institute for Advanced Research and Innovative Technologies in the field of life safety,
St. Petersburg University of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, St. Petersburg.
Мамагин Сергей Викторович,
старший научный сотрудник Научно-исследовательского института перспективных исследований и инновационных технологий в области безопасности жизнедеятельности,
ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России,
Россия, г. Санкт-Петербург,
телефон: (812)441-0227, (812)441-0747,
e-mail: smamagin@yandex.ru
Mamagin S. V.,
Senior Researcher of the Research Institute for Advanced Research and Innovative Technologies in the field of life safety,
St. Petersburg University of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, St. Petersburg.
Бороздин Сергей Анатольевич,
старший научный сотрудник Научно-исследовательского института перспективных исследований и инновационных технологий в области безопасности жизнедеятельности,
ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России,
Россия, г. Санкт-Петербург, телефон: (812)441-0227, (812)441-0747. Borozdin S.A.,
Senior Researcher of the Research Institute for Advanced Research and Innovative Technologies in the field of life safety,
St. Petersburg University of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, St. Petersburg.
Алешин Эдуард Леонидович,
Начальник отделения
ФКУ «Центр управления в кризисных ситуациях» ГУ МЧС России по республике Крым
Aleshin E.L.,
Deputy chief
Crisis Management Centre of the Ministry of Emergency Situations of Russia of the Republic of Crimea.
© Сперанский A.A., Мамагин С.B., Бороздин СЛ., Ллешин Э.Л., 2018
