CC BY
529. Указ Президента РФ «О сухопутных территориях Арктической зоны Российской Федерации» от 02.05.2014 № 296.
10. Устройство для эвакуации персонала с аварийного объекта. Патент РФ № 2068285 МКИ А62В37/00, В64С1/52, 1992 г.
УДК 356/359: 614.844.6
Жуйков Д.А., Старков Н.Н., Руфанов К.А. Zhuikov D.A., Starkov N.N., Rufanov K.A.
Анализ проблем повышения эффективности теплопереноса в создании новых огнетушащих
составов
Analysis of problems of the heat transfer efficiency increase when developing new extinguishing
agents
Аннотация:
Представлен краткий обзор проблематики пожаротушения с использованием современных приемов с применением воды и специальных составов. Рассмотрено использование стабилизированных водно-дисперсных композиций в качестве огнетушащих веществ. Проведен сравнительный анализ современных продуктов от различных производителей, используемых для пожаротушения. Описан новый огнетушащий состав «Фаерлок»®. Определены проблемы, связанные с адаптацией применения нового огнетушащего состава в реальной практике пожаротушения. Abstract:
This article contains an overview of the problems of fire extinguishing technologies with application of modern methods of extinguishing fires using water and special components. The application of stabilized water-dispersed compositions as an extinguishing agent is presented. The differences between modern firefighting products of different manufacturers are analyzed. A new extinguishing agent «Faerlok» ®, as well as the problems associated with the adaptation of the new extinguishing agent in real extinguishing practice are described.
Ключевые слова: Тушение пожаров, гидрогель, огнетушащее вещество, скорость отвода тепла, поверхностно-активные вещества, водно-дисперсный состав.
Keywords: Firefighting, hydrogels, extinguishing agent, rate of heat removal, surface-active additive, water-dispersible formulation.
Известно, что значительное число объектов военной инфраструктуры Министерства обороны, а также других силовых ведомств страны, расположено на землях лесного фонда, на территориях со сложным рельефом местности. На многих из названных объектов применяется дорогостоящее оборудование и эксплуатируются современные системы вооружений. Указанные обстоятельства предопределяют ужесточение требований к уровню безопасности таких объектов, в том числе пожарной [1].
Несмотря на продолжающийся поиск новых решений в борьбе с пожарами, защите личного состава, зданий и сооружений, статистика борьбы, например, с лесными пожарами, не показывает резких скачков в снижении потерь от их последствий. Это свидетельствует о наличии системных недостатков в развитии данной области и об отсутствии прогрессивных средств пожаротушения.
В качестве яркого примера уместно охарактеризовать проблему, возникающую при борьбе с лесными пожарами верхового типа, проводимой с использованием специализированных вертолётов и самолётов. Технология тушения пожара предполагает единовременный сброс больших объемов воды на очаги лесных пожаров с высоты 50-150 метров, с целью прекращения распространения пожара, либо перевода его в низовую фазу.
Проблема, в данном случае, состоит в том, что снижение воздушных судов до требуемой высоты в 50-80 метров значительно увеличивает риск их механического контакта (столкновения) с естественными препятствиями (деревья, сопки, горы и проч.), которые могут находиться вне зоны видимости пилотов в связи с образованием зон задымления.
Исследования практики авиационного тушения лесных пожаров показывают, что огнетушащая способность самолетов-танкеров зависит, в большей степени, от высоты при сбросе воды и скорости полета. При сбросе на скоростях, превышающих 250-270 км/ч [2], жидкость трансформируется в аэрозоль под действием сопротивления воздуха, и большая ее часть не достигает цели. Описанный процесс характерен для сброса воды с высоты пятидесяти и более метров.
Процесс испарения особенно усиливается при низкой влажности. Так, испытания показывают, что потери на испарение при сливе с высоты 40 м с самолета-танкера Ан-32П, летящего на скорости 230 км/ч, составляют 10% при 80% влажности воздуха, но возрастают до 50% - при 60% влажности
[3].
На сегодняшний день основной механизм во всех применяемых технологиях тушения пожаров, охлаждение с помощью «хладагента», за исключением пожаров в замкнутых объемах, где вытеснение кислорода воздуха негорючими газами является наиболее очевидным подходом. Суть действия «хладагента» связана с ускорением процесса теплопереноса, иначе говоря, отвода тепла от нагретого тела с использованием огнетушащего вещества и снижения температуры пламени.
Теплопроводность различных веществ зависит в первую очередь от их агрегатного состояния, а для твердых веществ ещё и от плотности их кристаллической упаковки. Если индекс относительной теплопроводности воды принять за 1 (100%) [4], то теплопроводность воздуха будет
41
ниже и составит лишь 4,2 % [5], в то время как твердые тела будут более теплопроводными, например, для кварца этот индекс примет значение равное 12 [6], для железа - 125 [7], а для серебра -696 [5].
Материалы, содержащие в своем составе две фазы, представляют собой дисперсные системы. Теплопроводность таких систем зависит от теплопроводности дисперсной фазы и дисперсионной среды. Так, например, коэффициент теплопроводности сухого песка, равный 0,33, имеет промежуточное значение между кристаллическим кварцем и воздухом. Такие рассуждения позволяют объяснить причину того, почему воздушно-механическая пена плохо охлаждает поверхность горючего материала. Пена - это дисперсия воздуха в воде, и он может только уменьшить ее теплопроводность. В то же время становится ясно, почему высокая теплопроводность огнетушащего вещества на основе дисперсных систем важна в пожаротушении: попадая на горящую поверхность и препятствуя притоку воздуха к зоне горения, такое вещество будет отводить от нее тепло значительно быстрее, чем вода.
Однако, основным продуктом, используемым в качестве «хладагента» для тушения пожаров, остается вода, обладающая наибольшей среди всех веществ удельной теплоемкостью, то есть способностью поглощать тепло на единицу массы. Несмотря на это, на больших участках пожаров ее огнетушащая способность нивелируется: она или не попадает в очаг, или неравномерно распределяется, испаряясь вне зоны горения. Это свидетельствует о значительных недостатках воды, как огнетушащего вещества в том, что касается её слабых адгезивных свойств.
Одним из способов изменения этого параметра для воды и, как следствие, раскрытие в большей мере ее потенциала в качестве огнетушащего вещества, является применение соответствующих добавок поверхностно-активных веществ (далее - ПАВ) [8]. Некоторые ПАВ образуют в воде гидрогель и повышают её адгезивные свойства.
По своей природе гидрогели представляют собой структурированные двухфазные коллоидные свободносвязанные дисперсии, состоящие из высокомолекулярных компонентов ПАВ - дисперсной фазы, заполненных и окруженных дисперсионной средой, в данном случае водой (рис. 1).
Гель
• . с'
Порошковый »
состав \' ■
Рис. 1. Схема процесса образования гидрогеля из твердых гранул ПАВ при добавлении воды.
42
Преимущества гидрогелей перед водой: способность сохранять форму, заметная упругость и повышение точности и кучности сброса при авиационном тушении лесных пожаров.
В первую очередь разница воды и геля заключается в адгезивных свойствах последнего [9], которые позволяют: препятствовать поступлению кислорода воздуха к зоне горения и охлаждать ее; изолировать горючую нагрузку не участвующую в процессе горения, как от источника нагрева, так и от доступа кислорода, что снижает вероятность возникновения окислительных процессов, предшествующих горению.
Вода с наклонной поверхности быстро стекает на горизонтальную поверхность, где сбивается в капли. В любом случае, на обугленной поверхности толщина пленки воды не превышает 0,2 мм. Пена низкой кратности на тех же поверхностях может создать слой в 15-20 мм. При средней толщине пленки воды в пене 0,006 мм и размере пузырьков 0,7 мм формируется около 30 слоев (рис. 3) жидкой фазы и практически тот же общий слой пленки воды - 0,2 мм, который необходимо преодолеть тепловому потоку при движении к горючей нагрузке.
Рис. 2. Структура пены низкой кратности.
Более высокие показатели тушения, в данном случае, достигаются за счет наличия воздуха в пузырьках. Гидрогели способны задерживаться на наклонной, в том числе вертикальной, поверхности при толщине нанесения до 3-5 мм и сохранять неизменной толщину слоя до полного потухания пламени.
Другим способом улучшения свойств воды, как огнетушащего вещества, как было указано выше, является увеличение теплопроводности за счёт диспергирования в ней веществ, обладающих более высокой, чем вода, теплопроводностью. Подобные водно-дисперсные композиции обладают, однако, тем недостатком, что дисперсная фаза довольно быстро седиментирует из-за разницы в плотности или за счет агрегации частиц в отсутствии соответствующих стабилизаторов.
Ряд производителей предлагает продукты, назначение которых направлено на улучшения огнетушащих свойств воды за счет введения различных компонентов ПАВ, образующих
43
структурированные коллоидные системы. К ним относятся: гель «Баррикада», «Гидростатин» Ж1-20, <^ге1се®» и другие.
Проведённый нами несложный анализ выявил общие проблемы, характеризующие рассматриваемые продукты, повышающие теплофизические свойства водных систем, направленных на локализацию и тушение пожаров:
- высокий показатель вязкости составов, исключающий возможность использования принятой в Вооруженных Силах Российской Федерации штатной пожарной техники;
- отсутствие возможности увеличения теплопроводности огнетушащих составов;
- нестабильность системы после частичного испарения воды и отсутствие гарантированного возобновления всех своих свойств после ее добавления, что крайне важно в решении чрезвычайных ситуаций;
- отсутствие возможности формирования достаточного количества огнетушащего вещества непосредственно при тушении пожара попутным смешиванием воды из доступных источников водоснабжения и предлагаемых продуктов;
- ограничения по условиям хранения продуктов;
- высокая стоимость продуктов, связанная, в первую очередь с тем, что их производство находится вне Российской Федерации.
Группой специалистов кафедры «Пожарная безопасность» ФГАУ ДПО «ИПК ТЭК» и ООО «Лаборатория Инновационных Технологий «Квинтех» на базе инновационного центра «Сколково» ведутся исследовательские работы по повышению эффективности огнетушащих составов.
В настоящие время формируется теоретический подход к описанию физико-химических свойств таких сложных стабилизированных многофазных полидисперсных систем для тушения пожаров и проводятся исследования и испытания на основании эмпирического подхода.
В частности, в результате проводимых исследований, получен гелеобразующий порошковый состав (далее - ГОПС), который может быть использован для получения готового водногелевого огнетушащего состава. ГОПС представляет собой диспергируемый в воде порошок, состоящий из материала твердой дисперсной фазы и стабилизатора, чьи свойства при этом обеспечивают:
- дезагрегацию дисперсной фазы, препятствующей ее седиментации;
- тиксотропное изменение вязкости водно-дисперсной композиции;
- регулируемое изменение теплопроводности в зависимости от материала твердой дисперсной фазы и его содержания в используемой композиции;
- длительную стабильность дисперсной системы, в том числе после частичного испарения воды, что обеспечивает ей возобновляемость свойств при повторном добавлении воды;
- возможность быстрого формирования огнетушащего вещества в чрезвычайных ситуациях.
В целях исследования возможностей применения исследуемого ГОПС в области тушения пожаров проведены испытания ГОПС и готового ВОС в ФГБУ ВНИИПО МЧС России.
Процедура испытаний ГОПС и готового ВОС включала серию лабораторных и натурных работ с определением следующих показателей:
- внешнего вида, растворимости, времени полного растворения, плотности геля, температуры застывания, коррозионной активности геля к стали марки Ст.3, срока сохраняемости геля, кинематической вязкости геля;
- времени тушения модельных очагов пожара класса А и автомобильных шин;
- критической температуры и теплового потока в любой точке подкостюмного пространства специальной защитной одежды (далее - СЗО), обработанной огнезащитным гелем;
- остаточного горения, термических разрушений материала СЗО в виде: (оплавления, обугливания, сквозного прогара), обработанной огнезащитным гелем.
В результате испытаний установлено следующее:
- ВОС при концентрации 0,8% в воде обеспечивает значительный уровень снижения угрозы повторного воспламенения, т.е. повторное возгорание с последующим устойчивым горением в местах его воздействия не наблюдается и обладает огнетушащей способностью тушения модельного очага пожара 4А и модельного очага пожара, состоящего из 6 автомобильных шин R16 (в качестве огнетушащего средства использован огнетушитель ОВЭ-10, заполненный ВОС);
- время защиты объекта (пожарного) от теплового потока в очаге возгорания, одежда которого обработана водным раствором ГОПС, составляет не менее 16 минут;
- время устойчивости к однократному воздействию открытого пламени в очаге возгорания одежды, обработанной водным раствором ГОПС, составляет 90 секунд.
- водный раствор ГОПС с концентрацией 1,5% обладает свойствами, повышающими огнезащитные характеристики СЗО, при условии равномерного нанесения раствора по поверхности изделия, и может использоваться для дополнительной защиты личного состава от огня и термического воздействия в очагах пожаров.
Установленные в результате испытаний показатели сведены в таблицу 1.
Таблица 1
№ п/п Наименование контролируемого параметра Полученное значение показателя
1 Внешний вид ГОПС Сыпучий порошок мелкой фракции без комков и примесей белого или белого с оттенками цвета
2 Внешний вид геля Вязкая мутная жидкость без кристаллического осадка и расслоения
3 Растворимость ГОПС в воде, % 100
4 Время полного растворения ГОПС в воде, мин 1
5 Плотность геля при 20°С и массовой концентрации 0,8 %, в пределах, кгм-3 1006
6 Температура застывания геля с массовой концентрацией 0,8 %, не выше, °С -1
7 Коррозионная активность геля к стали марки Ст.З, кгм-2с-1, не более 0,03 10-8
8 Срок сохраняемости геля, сут 90
9 Кинематическая вязкость геля 0,8 % не более, мм2-с-1 40
На текущем этапе, в результате исследований и проведенных испытаний, найден подход к стабилизации водно-дисперсных композиций и разработан оригинальный состав с регулируемой теплопроводностью на основе доступных материалов, который способен работать при значительно более высоких удельных тепловых потоках. Кроме того, установлены практические критерии, позволяющие управлять свойствами полученных композиций.
Инновационность полученных композиций заключается в выгодной комбинации макрофизических свойств дисперсной фазы, стабилизаторов, препятствующих седиментации образовавшихся дисперсий и формирующих с водой, как с дисперсионной фазой, структурированную трёхфазную свободносвязанную коллоидную дисперсию с высокими адгезивными свойствами. Принципы, использованные для создания такой композиции, позволяют получить целое семейство стабильных дисперсных систем с контролируемыми и воспроизводимыми свойствами, что весьма важно при использовании в чрезвычайных ситуациях для предотвращения распространения пожаров, как в лесных массивах, так и населенных пунктах, и объектах инфраструктуры.
Ключевой особенностью таких стабилизированных композиций является, с одной стороны, их способность препятствовать доступу кислорода воздуха к зоне горения, за счет высокой адгезии к горящим поверхностям, а с другой - более быстрая, чем у воды, способность обеспечивать отвод тепла.
Перечисленные свойства разработанного ГОПС позволяют в процессе тушения пожара генерировать водно-дисперсную композицию из необходимого количества сухого порошка, добавляемого непосредственно в водяной поток.
При тушении лесных пожаров применение ВОС позволит также минимизировать процесс пульверизации жидкости за счёт преобразования её в водную пыль (аэрозоль) и обеспечить, таким образом, повышенную кучность огнетушащей массы при её сбросе. Как следствие, это позволит существенно «поднять» минимальную высоту работы авиатехники до 250 м над уровнем земли и, как следствие, увеличить её безопасность.
Работы в данном направлении продолжаются. В настоящее время ведутся работы инструментальной адаптации существующих средств подачи ВОС к месту пожара.
В целом, для широкого внедрения ГОПС в качестве огнетушащих составов необходима переработка и адаптация нормативно-технических документов к требованиям нормативно-правовых актов в области пожарной безопасности.
Список литературы
1. Глазьев С. Ю., Деменьтьев В. Е., Елкин С. В., Крянев А. В., Ростовский Н. С., Фирстов Ю. П., Харитонов В. В. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике. - М.: Тровант, 2009. - 304 с.
2. Григорьевская А. О., Иванов Н. В., Вишнев А. В. Анализ использования авиации для тушения лесных пожаров // Сборник Международной конференции «Решетневские чтения». - 2014. - Т. 1, № 18. - С. 351-352.
3. Коршунов А. Н. Авиационное тушение лесных пожаров: эффектность репортажей и эффективность технологий // Авиапанорама. - 2011. - № 4 (88). - С. - 10-13.
4. Kutasov I., Eppelbaum L., Pilchin A. Applied Geothermics. - Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. 751 p.
5. Цветков Ф. Ф., Григорьев Б. А. Тепломассообмен: учебник для вузов. 2-е изд. - М.: МЭИ, 2011. - 562 с.
6. Bass M., Van Stryland E. W., Williams D. R., Wolfe W. L. Devices, measurement, and properties: handbook of optics. 2nd ed. - New York: McGRAW-HILL, INC, 1995. - 1496 p.
7. Peet M. J., Hasan H. S., Bhadesh H. K. D. H. Prediction of thermal conductivity of steel // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2011. - № 54. - P. 2602-2608.
8. Триполицын А. А., Потапенко В. В., Старков Н. Н., Жуйков Д. А., Бабкин О.Э. Увеличение эффективности тушения твердых горючих материалов путем использования в качестве добавки амидофосфатов // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. - 2015. - № 1 (6), - С. 198199.
9. Петров Н. А., Давыдова И. Н., Акодис М. М. Исследование комплексных реагентов СНПХ «ПКД» 515 и СНПХ «ПКД» 515Н в качестве модифицирующих добавок в технологические жидкости нефтяной промышленности // Башкирский химический журнал. -2006. - Т. 13, № 2. - С. 34-42.
10. Гуцев Н. Д., Михайлова Н. В., Корчунова И. Ю. Результаты сравнительных испытаний новых огнетушащих составов на модельных лесных пожарах // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. - 2013. - № 4. -С. 40-52.
11. Протокол испытаний гелеобразующего порошкового состава «Фаерлок»® и готового водногелевого огнетушащего состава «Фаерлок»® №1128/2.1-2016 от 31.10.2016 г. // ВНИИПО, г. Балашиха. - 2016. - №1128/2.1-2016. - 17 с.
Энергоснабжение, водоснабжение и теплоснабжение объектов военного назначения
УДК 355.673:621.182/621.18
Смолинский С.Н.
Smolinskii S.N.
К вопросу технико-экономической оценки модернизации систем теплоснабжения автоматизированными угольными котельными с котлами высокотемпературного кипящего
слоя
Revisiting technical and economic assessment of the modernization of heat supply systems by automated coal-fired boiler houses with boilers of high-temperature fluidized bed
Аннотация:
В статье произведен анализ состояния систем теплоснабжения на объектах МО РФ. Сформулированы перспективные направления модернизации и технического перевооружения существующих угольных котельных. Получены результаты сравнительной оценки технико-экономической эффективности капитальных вложений на основе теории производственных
