CC BY
17
I
BADANIA I ROZWÖJ
кандидат физ.-мат. наук А.И. Кицак / A.I. Kitsak, Ph.D.a)*
Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь / Research Institute of Fire Safety and Emergencies (RIFSE) Ministry for Emergency Situations of the Republic of Belarus *Corresponding author: kitsak48@yandex.ru
Динамика частиц огнетушащего порошка на пути к очагу пожара при импульсном способе подачи его в зону горения
The Dynamics of Dry Chemical Powder Particles Towards the Fire Source During Their Pulse Feeding into the Combustion Zone
Dynamika cz^steczek proszku gasniczego podczas podawania go w kierunku pozaru metod^ impulsow^
АННОТАЦИЯ
Цель: В настоящее время для тушения пожаров широко используются модульные установки порошкового пожаротушения (МУПП) импульсного типа. Данные установки состоят, как правило, из узлов управления и модулей порошкового пожаротушения (МПП), заполненных огнетушащим порошком и газом, закачанным внутрь модуля под высоким давлением.
Подача огнетушащего порошка из МПП в очаг пожара осуществляется при воздействии на него нагретого воздуха тепловой колонки очага пожара, обладающего подъемной силой. Величина этой силы зависит от мощности пожара и интенсивности воздухообмена в помещении. Очевидно, в данных условиях эффективность тушения пожара МУПП будет определяться не только огнетушащей способностью порошка, но и его динамическими характеристиками при движении к очагу пожара.
Для решения задач проектирования МУПП импульсного типа, а также при испытании МПП актуальным является учет влияния на динамику газопорошковой смеси, выбрасываемой из МПП, сопротивления воздушной среды и подъемной силы нагретых газов тепловой колонки очага пожара.
Целью работы является определение зависимости скорости единичной массы огнетушащего порошка от расстояния от выходного отверстия модуля порошкового пожаротушения (МПП) импульсного типа при заданных пневмо-загрузочных характеристиках модуля, дисперсных параметрах огнетушащего порошка и мощности пожара.
Проект и методы: Достижение поставленной цели осуществлялось методом математического моделирования процессов истечения огнетушащего вещества из МПП и движения его в открытом пространстве к очагу пожара.
Результаты: Разработана математическая модель динамики газопорошковой смеси в открытом пространстве на пути к поверхности горения при заданных эксплуатационных характеристиках МПП и энергетических параметрах пожара.
Получено соотношение для оценки скорости частиц огнетушащего порошка на различных расстояниях от выходного отверстии МПП при движении их к очагу пожара заданной мощности.
Проведены экспериментальные исследования динамики фронта газопорошковой смеси, выбрасываемой из МПП импульсного типа. Анализ полученных результатов свидетельствует о удовлетворительном согласии их с численными оценкам.
Выводы: Полученные результаты могут быть использованы при проведении испытаний МПП импульсного типа для оценки пространственно-энергетических параметров очагов пожара, которые могут быть ими потушены, а также в задачах проектировании МУПП для определения пневмо-загрузочных параметров МПП по известным техническим характеристикам применяемого огнетушащего вещества, предполагаемым значениям мощности очага пожара и высоты расположения МПП.
Ключевые слова: модульная установка порошкового пожаротушения, огнетушащий порошок, скорость огнетушащего порошка, мощность
очага пожара, тепловой поток
Вид статьи: оригинальная научная статья
Принята: 09.02.2018; Рецензирована: 26.03.2018; Одобрена: 10.04.2018;
Просим ссылаться на статью следующим образом: BiTP Vol. 49 Issue 1, 2018, pp. 76-85, doi: 10.12845/bitp.49.1.2018.7;
Настоящая статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/ licenses/by-sa/4.0/).
ABSTRACT
Objective: Currently, the pulse-type dry chemical extinguishing system (DCES) is extensively used for extinguishing fires. These units generally consist of a control junction and powder extinguishing modules (PEM) filled with fire extinguishing powder and gas pumped into the module under the high pressure. Giving extinguishing powder from the PEM in the fire source is carried out when exposed to the heated air of the thermal column generating lift. The magnitude of this force depends on the power of fire and intensity of air change in the room. The efficiency of fire extinguishing with the DCES in these conditions will be determined not only by the powder extinguishing ability but also its dynamic characteristics when approaching the fire. In the design of pulse-type fire extinguishing systems using PEMs it should be considered that during testing PEMs the dynamics of the gas powder mixture released from the module is impacted by the air resistance and the lift of the heated gases from the thermal column from the fire source. Aim: The aim of this work is to determine the ratio of the unit weight of dry chemical extinguishing powder depending on the distance from the nozzle of the DCES for the defined pneumatic and loading characteristics of the system, disperse parameters of dry chemical powder and the fire power. Project and methods: To reach the aim of the study, a mathematical model approach was applied for the flow process the extinguishing substance from the DCES and its movement in open-air space towards the fire.
Results: A mathematical model was developed to calculate the movement dynamics of the gas-powder mixture in an open-air space towards the fire source under specific performance parameters of the DCES and the power of the fire.
A correlation for estimating the extinguishing powder particle velocity at different distances from the DCES nozzle during their movement towards the fire of a given power was obtained.
An experimental study of the dynamics of the front of the powder mixture ejected from the pulse-type PEM was performed. The analysis of the results showed their satisfactory level of compliance with numerical calculations.
Conclusions: The obtained results can be used for analyses of pulse-type PEMs with a goal of assessing the spatial and energy parameters of fires which can be extinguished using this method. The results can be used during the design of such installations in order to specify the pneumatic and load parameters of the module associated with the given technical characteristics of the extinguishing agent, the assumed power level of the fire source and the height of the PEM.
Keywords: dry chemical extinguishing system, dry chemical powder, velocity of the dry chemical powder, power of the fire source, heat wave Type of article: original scientific article
Received: 09.02.2018; Reviewed: 26.03.2018; Accepted: 10.04.2018;
Please cite as: BiTP Vol. 49 Issue 1, 2018, pp. 76-85, doi: 10.12845/bitp.49.1.2018.7;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 (https://creativec0mm0ns.0rg/licenses/by-sa/4.0/).
ABSTRAKT
Wprowadzenie: W obecnych czasach modulowe proszkowe instalacje gasnicze typu impulsowego sq powszechnie wykorzystywane do gaszenia pozaröw. Instalacje te skladajq si? zazwyczaj z modulöw sterowania oraz modulöw gaszenia proszkowego, ktöre wypelnione sq proszkiem gasniczym i gazem pod wysokim cisnieniem.
Na proszek gasniczy podawany z modulöw gaszenia proszkowego do ogniska pozaru oddzialuje nagrzane powietrze komina termicznego, generujqce sil? nosnq. Wielkosc tej sily zalezy od mocy pozaru i intensywnosci wentylacji pomieszczenia. W takich warunkach efektywnosc gaszenia pozaru za pomocq instalacji proszkowej b?dzie zalezna nie tylko od skutecznosci gasniczej proszku, lecz takze od jego charakterystyk dynamicznych, podczas gdy przemieszcza si? w strong zrödla pozaru.
Przy projektowaniu modulowych proszkowych instalacji gasniczych typu impulsowego, a takze podczas badan modulöw gaszenia proszkowego nalezy uwzgl?dniac, ze na dynamik? ruchu mieszaniny gazowo-proszkowej wyzwalanej z modulu wplywajq opornosc powietrza oraz sila nosna rozgrzanych gazöw komina termicznego ze zrödla pozaru.
Cel: Celem pracy jest wyznaczenie zaleznosci mi?dzy pr?dkosciq jednostkowej masy proszku gasniczego a lokalizacjq otworu wylotowego modulu gaszenia proszkowego typu impulsowego w warunkach okreslonych charakterystyk pneumatycznych i obciqzeniowych modulu, parametröw dyspersji proszku i mocy pozaru.
Projekt i metody: Aby zrealizowac wyznaczony cel, zastosowano metod? modelowania matematycznego ubytku srodka gasniczego po jego wyzwoleniu oraz jego ruchu w kierunku zrödla pozaru w przestrzeni otwartej.
Wyniki: Opracowano model matematyczny dynamiki ruchu mieszaniny gazowo-proszkowej, odbywajqcego si? na przestrzeni otwartej w kierunku zrödla pozaru oraz w okreslonych warunkach parametröw pracy modulöw gaszenia proszkowego oraz energii pozaru.
Otrzymano zaleznosc do oceny pr?dkosci czqsteczek proszku gasniczego w röznych odleglosciach od otworu wylotowego modulu gaszenia proszkowego, podawanego w stron? pozaru o okreslonej mocy.
Przeprowadzono badania eksperymentalne dynamiki przemieszczania si? frontu gazowo-proszkowej mieszaniny wyrzucanej przez moduly gaszenia proszkowego typu impulsowego. Analiza otrzymanych wyniköw swiadczy o zadowalajqcej zgodnosci z obliczeniami numerycznymi. Wnioski: Otrzymane wyniki mogq byc wykorzystane przy przeprowadzaniu badan modulöw gaszenia proszkowego typu impulsowego majqcych na celu ocen? parametröw przestrzennych i energetycznych pozaröw, ktöre mogq byc nimi ugaszone. Rezultaty mozna wykorzystac röwniez podczas projektowania tego rodzaju instalacji w celu okreslenia parametröw pneumatycznych i obciqzeniowych modulu zwiqzanych ze znanymi technicznymi charakterystykami srodka gasniczego, zakladanych wartosci mocy zrödla pozaru i wysokosci umieszczenia modulu gaszenia proszkowego. Stowa kluczowe: modulowa proszkowa instalacja gasnicza, proszek gasniczy, pr?dkosc proszka gasniczego, moc zrödla pozaru, fala ciepla Typ artykutu: oryginalny artykul naukowy
Przyjçty: 09.02.2018; Zrecenzowany: 26.03.2018; Zatwierdzony: 10.04.2018;
Proszç cytowac: BiTP Vol. 49 Issue 1, 2018, pp. 76-85, doi: 10.12845/bitp.49.1.2018.7;
Artykul udostçpniany na licencji CC BY-SA 4.0 (https://creativec0mm0ns.0rg/licenses/by-sa/4.0/).
Введение
В настоящее время для тушения пожаров широко используются модульные установки порошкового пожаротушения (МУПП) импульсного типа. Данные установки состоят, как правило, из узлов управления и модулей порошкового пожаротушения (МПП), заполненных огнетуша-щим порошком и газом, закачанным внутрь модуля под высоким давлением. Отличительной особенностью МУПП импульсного типа является их высокое быстродействие и ограниченность огнетушащего заряда модуля. Время выброса газопорошковой смеси (ГПС) из МПП в зону горения < 1с. Масса огнетушащего вещества, загружаемого в модуль, находиться в пределах 3 - 20 кг.
Подача порошка в очаг пожара осуществляется при воздействии на него нагретого воздуха тепловой колонки, обладающего подъемной силой. Величина этой силы зависит от мощности пожара и интенсивности воздухообмена в помещении. Очевидно, в данных условиях эффективность тушения пожара МУПП будет определяться не только огне -тушащей способностью порошка, но и его динамическими характеристиками при движении к очагу пожара.
На данный момент хорошо изучены нестационарные процессы истечения порошка из МПП. Исследование закономерностей истечения газопорошковой смеси (ГПС) через насадок-распылитель МПП проводилось в ряде работ [1-2]. Разработанная авторами данных работ модель истечения ГПС в виде двухфазного потока твердых частиц и газа в предположении запаздывания частиц порошка относительно частиц газа приблизила результаты расчета динамики давления к реальному процессу его изменения внутри МПП при истечении ГПС.
Анализ литературных данных показывает, что матема -тическое моделирование процессов движения ГПС от выхода из МПП к очагу пожара до настоящего времени практически не проводилось. Экспериментальные результаты исследования пространственно-временных характеристик ГПС [3] свидетельствует о том, что с увеличением расстояния от выходного отверстия МПП происходит удаление вытесняющего газа из струи вследствие его расширения и проникновение в свободные каналы порошковой среды окружающего воздуха и встречных нагретых потоков про -дуктов горения. Под действием этих факторов появляется горизонтальная составляющая скорости частиц порошка, приводящая к размытию контуров струи, и постепенное торможение движения частиц. Вследствие снижения скорости часть частиц порошка может не достичь поверхности горения и снизить эффективность тушения пожара.
Для решения задач проектирования МУПП импульсного типа, а также при испытании МПП актуальным является учет влияния на динамику газопорошковой смеси, выбрасываемой из МПП, сопротивления воздушной среды и подъемной силы нагретых газов тепловой колонки очага пожара.
Целью работы является определение зависимости скорости единичной массы огнетушащей смеси от расстояния от выходного отверстия МПП при заданных
пневмо-загрузочных характеристиках модуля, дисперсных параметрах огнетушащего порошка и мощности пожара.
Элементы математической модели поверхностного способа тушения пожара модульной установкой порошкового пожаротушения импульсного типа
Поверхностное тушение пожара МПП состоит в изоляции поверхности горящего вещества от доступа воздуха, охлаждении горящей поверхности, химическом торможении (ингибировании) реакции горения. Осуществляется оно подачей порошковой смеси непосредственно в очаг пожара.
В соответствии с принципом работы МПП и способом подачи порошка в зону пожара можно выделить следующие составные компоненты математической модели поверхностного способа тушения пожара:
- процессы изменения давления внутри корпуса МПП, массового расхода ГПС и ее скорости при истечении из МПП,
- динамика характеристик движения ГПС в открытом пространстве на пути к очагу пожара.
Динамика истечения ГПС из МПП импульсного типа
Истечение порошка из модуля порошкового пожаротушения импульсного действия сопровождается процессами изменения давления внутри корпуса МПП, массового рас -хода ГПС и ее скорости на выходе из МПП. Для математического описания этих процессов можно воспользоваться псевдо-жидкостной моделью истечения ГПС, предложенной в работе [1], несколько ее модифицировав.
Суть модификации заключается в том, что истекающая из МПП газопорошковая смесь рассматривается как однофазное вещество с плотностью, равной насыпной плотности огнетушащего порошка. Уравнение изменения давления Р ^) внутри МПП при истечении ГПС в данном случае можно представить в виде
^ () Р ( КР () т
Л ш8р (I) (1)
где С8р) - массовый расход ГПС за единицу времени, ш8р) - масса ГПС внутри корпуса МПП. t - текущее время.
Величина
«
где /л^) - коэффициент расхода ГПС, - площадь выходного сечения насадка или отверстия МПП, Рат - атмос-ферное давление, р,эф - эффективная (насыпная) плотность ГПС.
Эффективная плотность ГПС рЭф определяется из соотношения
Рэф к ) = ^ (3)
где W (V) - объем, занимаемый ГПС в МПП.
Величина, равная квадратному корню в выражении (2), согласно формуле Торричелли соответствует скорости У8р истечения ГПС из МПП
р (' ) =
RP ()-Рат ]
Pjt) (4)
С учетом (2) и (3) уравнение (1) перепишется в виде
dP (t) _ ^(t)SHP(t^2[P(t)-P„ УРэф dt М2 [P (t)-PaT ]/Рэфt
(5)
Данное уравнение не имеет аналитического решения, однако оценку динамики изменения давления можно получить при численном его решении с использованием
интегрированных систем компьютерной математики типа Mathematica, Mathcad, Maple, Matlab. При расчетах рекомен-дуется принимать коэффициент расхода ГПС постоянным и равным коэффициенту расхода капельной жидкости ¡i{t ) = 0,62. Также можно считать, что эффективная плотность ГПС не изменяется со временем. Решение уравнения (5) при данных условиях показало, что разница между расчетными и экспериментальными значениями давлений на начальной стадии выброса ГПС составляет не более 5%, а на конечном этапе - ~10%.
Динамика характеристик движения ГПС в открытом пространстве на пути к очагу пожара
Условная схема тушения пожара МУПП представлена на рисунке 1.
I 'A|F
i'fb'
1 i .[fa' 7dV
2
Рисунок 1. Схема тушения пожара МУПП импульсного типа
Figure 1. A scheme of extinguishing a fire with impulse powder fire suppression system
Источник: Собственная разработка.
Source: Own elaboration.
На схеме изображен модуль порошкового пожаротушения 1, расположенный на некотором фиксированном расстоянии от очага пожара, и сам очаг пожара 2.
Определим силы, действующие в момент времени t на ансамбль частиц порошка, находящихся в элементарном слое ГПС объемом dV, движущимся в потоке нагретого воздуха тепловой колонки очага пожара. Будем предполагать, что плотность частиц порошка в выделенном слое однородна по его площади, а скорость частиц одинакова по горизонтальному сечению ГПС.
На выделенный ансамбль частиц действуют: сила тяжести FT, направленная вертикально к Земле; сила Архиме -да ¥л, направленная противоположно силе тяжести; сила сопротивления воздуха FB, направленная в сторону, противоположную вектору скорости частиц порошка; подъемная сила РП потока теплового воздуха тепловой колонки очага возгорания, направленная противоположно направлению вектора скорости частиц порошка.
Модуль силы тяжести, действующей на частицы порошка, равен
F = mg = PndV0 g
(6)
где т - масса частиц порошка, йУ0 - объем слоя, занимае-мый данными частицами, рп - плотность частиц порошка, g - ускорение свободного падения.
Модуль силы Архимеда, действующий на частицы порошка, равен
*л = РнЛ (7)
где рнг - плотность нагретых газов.
При движении в воздушной среде слоя дисперсной среды, какой является огнетушащий порошок, через свободные каналы этой среды будет проходить воздух, оказывая тормозящее действие на частицы порошка. На противоположных границах слоя появится разность давлений Ар , которая может быть оценена, исходя из модифицирован -ного уравнения Бернулли для потери давления на трение в трубопроводе [4]:
Нрт V в2
2* (8)
Ар = Х-
В формуле (8) X - коэффициент трения, Н- длина каналов, равная высоте слоя, V в - скорость воздуха в каналах, - эквивалентный диаметр, соответствующий суммарному поперечному сечению свободных каналов в слое огне-тушащей среды.
По определению [4] величина равна
л 4S
Л = П
(9)
где 5 - площадь сечения свободных каналов, П - периметр сечения свободных каналов.
Для газопорошковой струи, в которой основная масса огнетушащего порошка, истекающего из МПП, сосредоточена возле ее оси, величина йэ,равна
d. =4sd
(10)
йУ - йУ0 Рэф где £=-0 = 1--- порозность порошка, яотв- ди-
йУ Рр
аметр выходного отверстия МПП.
Скорость воздуха в свободных каналах порошковой смеси Vв связана со скоростью частиц порошка Vп зависимостью [5]:
Параметр X определяется уравнением [4]:
+ 2,34
v BdPsr
(11)
(12)
где $ - коэффициент вязкости воздуха, в - диаметр шара, имеющего тот же объем, что и частица порошка.
Подставляя в формулу (8) выражения (10)-(12), получим следующее соотношение для определения величины разности давлений Ар
Ар = 133-
çHv п
- + 2,34
pKrHv п
г НГ отв отч
Первый член данного выражения описывает сопротивление, оказываемое частицам порошка воздухом, при
его ламинарном движении по свободным каналам огне-тушащей порошковой среды. Ламинарный режим движения реализуется, когда модифицированное на случай движения воздуха в зернистом слое критическое число
Рейнольдса Re :
v ndpm
SÇ
< 1 [4]. Если Re >> 1, будет преобла-
дать турбулентное движение воздуха в каналах порошковой смеси. Данный режим описывается вторым членом выражения (13).
Модуль силы сопротивления воздуха равен
FB = ApS0 = 133-
Çv п
d£y[sdn
-dV + 2,34-
Рнг v п
~dV0 (14)
где 50 - площадь сечения слоя порошковой среды занятого частицами порошка.
Найдем соотношение для оценки величины модуля подъемной силы потока теплового воздуха тепловой колонки очага пожара. Согласно закону Архимеда подъемная сила некоторого объема газа (теплого воздуха) равна разности веса воздуха Рв, замещенного объемом газа V тепловой колонки, и веса Рг самого газа. Модуль подъемной силы равен:
Еп = Рв -Рг = с1УТ(рв-р.яг)g (15)
где рв, рнг - плотности воздуха и нагретых газов, йУг - объем газа через сечение колонки на заданной высоте от поверхности горения.
Исходя из формулы, связывающей величины плотностей воздуха и нагретых газов с их температурами при по -стоянном давлении
л т
(16)
Рв _T
Рнг Т.
выражение (15) запишется в виде:
\
Гят- Тв Т
dVrPm g
(17)
Величину температуры Тнг нагретых газов в тепловой колонке очага пожара можно оценить из соотношения [6]:
ОпожС^^ (18)
т„ = T +-
где Тв - температура окружающей среды. Тогда
' 0пож I1 -х) Л
F
TG
dVTp„ g
(19)
где - интенсивность тепловыделения
{■ц - коэффициент полноты горения, уУД - удельная массовая скорость выгорания материала, - низшая рабо -чая теплота сгорания материала, 5П - площадь пожара), X - коэффициент теплопередачи в строительные конструкции, с - удельная изобарная теплоемкость нагретого газа,
G = 0,21
g^jii^ 13 (y ♦ Уо У
3 - массовый расход газа
(13)
через сечение колонки, отстоящей от поверхности горения на расстоянии y, y0 = 1,5^S - расстояние от фиктивного источника тепла до поверхности горения.
Определим скорость частиц огнетушащего порошка в направлении оси газопорошковой струи, истекающей из
_v п
v =
в
МПП, в зависимости от расстояния к от выходного отверстия МПП. Для этого запишем уравнение движения частиц порошка в слое ГПС объемом dV в заданный момент вре-мени под действием сил, приложенных к нему
Решение (23) имеет вид:
уп = (сЪ~1 (1 - Ехр[-Ьк} + у02 (г) Ехр[-Ьк])^ (24)
Полученное соотношение позволяет оценить скорость частиц порошка элементарного слоя ГПС, выброшенных из МПП в момент времени t с начальной скоростью у0 (), на различных расстояния к от выходного отверстия МПП при заданных пневмо-загрузочных параметрах МПП, известных дисперсных характеристиках частиц порошка и прогнозируемых энергетических параметрах пожара.
GgP (t )At«=GgP (t) Atv „ = F + F + F + F
(20)
где At - элементарный интервал времени выброса порош -ка, а - ускорение частиц порошка, уп - скорость частиц порошка на расстоянии к от выходного отверстия МПП.
Подставляя в уравнение (20) найденные ранее зависимости для модулей сил, действующих на ансамбль частиц в объеме dV, получим с учетом рп >> р.яг и направлений действий этих сил следующее уравнение движения частиц порошка
dvn ' dh
--g
-133-
n
dssfsd^
-2,34-
2МтвРп W (t) 1
(21)
Решение данного уравнения будем искать при начальном условии уп(й = о)=у0(^ (у0^) = у8р(t) - скорость ансамбля частиц порошка на выходе МПП в заданный момент времени 0, и в предположении, что режим движения воздуха в свободных каналах порошковойсреды - турбулентный. При данных условиях вместо(21) получим
Риг v п
v п ^ = g _ 2,34-1=—
dh s2V sdn.
вРп (t)
Для удобства решения перепишем (22) в виде
dh
- = с — bv„
(22)
(23)
где c = 2 g
1 _ Спож I1 _х) TcG (t)
Л
, b = 4,68-
вРп
V, м/с
Численные оценки скорости частиц огнетушащего порошка, выбрас!>1^аеитого из МППимпульсного типа, в зависимости от расстояния от выходного отверстия МПП
На рисунке 2 изображено семейство кривых, описыва -ющих зависимость скоростей частиц огнетушащего порошка, истекающих в различные моменты времени из МПП, от расстояния к от его выходного отверстия. Кривые построены Дия МППмарои МПП(н)9-КД1рбУ-ГЭ-У2-1/б „Тунгус" соследующ имиларамотрумо.Начал ьное давление в корпусе модуля Р(t = 0) = 2,2МПа . Диаметр выходного отвер с тию модуля dотв = 36 мм. Объем корпуса модуля Г/М = НН>000+0,00Ы14В)м3 . Объеп модулу полностью заполнен порошком, масса которого равна тр = (8,6 ± 0,43)кг. На -сыпная плотность по р ошка, составляет рэф, = 955,55 кг/м3. Плотность частиц порошка равна рп = 1920 кг/м3.
Модуль предназначен для тушения пожара с высоты 13 м. Мощность очага пожара, для которой производились расчеты, соответствовала мощности тестового очага пожара 55 В.
70605040302010-
h, м
Рисунок 2. Зависимости скоростей частиц огнетушащего порошка от расстояния от выходного отверстия МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/6 „Тунгус",
выбрасываемых в различные моменты времени: 1. v0 (t = 0) = 67,85м/с; 2.v0 (t = 0,25c) = 43,83м/с; 3.v0 (t = 0,6c) = 27,91м/с;
4. v0(t = 0,8c) = 18,37м/с; Qm = 4,22МВт; cp = 103 Джкг^КГ1; TB= 20°C s= 0,5; рш = 1,1кг/м3; рп = 1920 кг/м3
Figure 2. Relationship between the velocity of extinguishingpowder particles and the distance from the nozzle МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-
-У2-1/6 "Tungus" emitted at different time points: 1. v0 (t = 0) = 67.85 m/s; 2. v0 (t = 0.25 s) = 43.83 m/s; 3. v0 (t = 0.6 s) = 27.91 m/s;
4. v0 (t = 08 s) = 18.37 m/s; QnffiK = 425 MW; cp = 103Jkg-1K; TB= 20°C s = 0.5; рнг = 11 kg/m3; pn= 1920 kg/m3
Источник: Собственная разработка.
Source: Own elaboration.
Их хода кривых следует, что практически вся масса огнетушащего порошка, за исключением незначительной части, выбрасываемой из модуля, начиная с 0,8 секунды
(кривая 4), достигнет плоскости очага пожара и будет уча -ствовать в его тушении.
v
0
На рисунке 3 представлены зависимости, аналогичные изображена 1мна рисун ке 2, но дляслучая исаечшния огнетушащего порошка из модуля МПП(н) 2,5 -КД1-Б2-3-УХЛ1-141 «Миг». Параметры мндуляследующду. Начслш ное давление в корпусе модуля Р (í = 0 ) = (1,5 ± 0,1) МПа.
V, м/с
Диаметр выходного отверстию модуля йтъ = 12 мм. Мо-дульзагачсчен чгнитушащим порошлом с насыпной плотностью рэф, = 960 кг/м3. Плотность частиц порошка равна
/эп =1920 кг/м3.
605040 30201000 ' 1 ' 2 ' 3 "" 4 5 6 7 h, м
Рисунок 3. Зависимости скоростей частиц огнетушащего порошка от расстояния от выходного отверстия МПП(н) 2,5 -КД-1-Б2-3-УХЛ1-141 „Миг", выбрасываемых в различные моменты времени: 1. v0(f = 0) = 59,9 м/с; 2. v0(f = 0,25) = 49,06 м/с;
3. v0 (f = 0,6 ) = 40,01 м/с; 4. v0 (f = 0,8) = 35,36 м/с, Qm = 1 МВт; cp = 103 Джкг^К"1; ТБ = 20oC £ = 0,5; рнг = 1,1кг/м3; рп = 1920 кг/м3
Figure 3. Relationship between the velocity of extinguishing powder particles and the distance from the nozzle МПП(н) 2,5 -КД1-Б2-3-УХЛ1-141 "Mig" emitted at different time points: 1. v0 (f = 0) = 59.9 m/s ; 2. v0 (f = 0.25 s) = 49.06 m/s; 3. v0 (f = 0.6 s) = 40.01 m/s;
4. v0(f = 08s) = 35.36m/s, QnmK = 1MW; cp = 103Jkg_1K_1; TB = 20°C e = 0.5; рнг = 1.1kg/m3; pn = 1920kg/m3 Источник:Собственная разработка.
Source: Own elaboration.
Модуль предназначен для тушения пожара с высоты 2,5-3 м. Мощность очага пожара, для которой производились расчеты, соответствовала мощности тестового очага пожара 13 В.
Ход кривых данного рисунка свидетельствует о том, что вся масса выброшенного из модуля огнетушащего порошка будет участвовать в тушении очага пожара. В то же время,
как видно из рисунка 4, при тушении очага пожара мощностью Спож = 4,25 МВт (тестовый очаг пожара 55 В) при той же высоте расположения модуля часть огнетушащего порошка, выбрасываемая из МПП после 0,6 с, не будет обладать достаточной скоростью, чтобы достичь очага возгорания. Данные частицы порошка будут выброшены из зоны горения конвективными тепловыми потоками нагретых газов.
Рисунок 4. Зависимости скоростей частиц огнетушащего порошка от расстояния от выходного отверстия МПП(н) 2,5 -КД1-Б2-3-УХЛ1-141 «Миг», выбрасываемыхизмодуляв различныемоментывремени:1. v0 (i = 0) = ¡59,9 м/с;2. v0 (f = 0,25) = 49,06 м/с;
3. v0 (f = 0,6) = 40,01 м/с ; 4. v0 ( = 0,8) = 35,36 м/с, Qm = 4,25 МВт; cp = 103Джкг^КГ1; ТБ = 20°C s = 0,5; рнг = 1,1кг/м3; рп = 1920 кг/м3
Figure 4. Relationship between the velocity of extinguishing powder particles and the distance from the nozzle МПП(н) 2,5 -КД1-Б2-3-УХЛ1-141 "Mig" emitted at different time points:1. v0 (° = 0) = 59.9 m/s; 2. v0 (f = 0.25) = 49.06 m/s; 3. v0 (f = 0.6) = 40.01 m/s;
4. v0(f = 0.8) = 35.36m/s, QnmK =4.25MW; cp = 103Jkg^1K41; TB = 20°C £ = 0.5; рвг = 1.1kg/m3; pn = 1920 kg/m3 Источник:Собственная разработка.
Source: Own elaboration.
Экспериментальное исследование динамики фронта огнетушащего порошка, вбрасываемого МПП импульсного типа в зону очага возгорания
Для оценки корреляции результатов теоретического анализа скорости движения частиц огнетушащего порошка в открытом пространстве над очагом пожара, полученных на основе предложенной математической модели движения порошковой смеси, с реальной ее динамикой на пути к очагу возгорания были проведены экспериментальные исследования скоростей фронтов ГПС, истекающих из МПП с различными техническими характеристиками.
Для проведения исследований использовались модули порошкового пожаротушения типа МПП(н) 2,5-КД1-Б2-3-УХЛ1-141 «Миг» и МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/б „Тунгус".
Модули жестко закреплялись на указанных в инструкциях по эксплуатации высотах относительно поверхности расположения предполагаемых очагов пожара. Высота крепления модуля МПП(н) 2,5-КД1-Б2-3-УХЛ1-141 „Миг" рав-на 3 м, а МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/б „Тунгус" - 13 м.
Исследования проводились при температуре воздушной среды ~25°С. Горизонтальная скорость воздушных потоков не превышала 7 м/с.
Тестовые очаги пожара класса 1 А @пож ~ 0,250 МВт) располагались по периметру защищаемой площади модулей согласно СТБ 11.13.19-2010 „Система стандартов
пожарной безопасности. Установки порошкового пожаротушения автоматические. Модули - общие технические требования. Методы испытаний".
Выходные клапана МПП открывались после времени горения штабелей, включая время горения используемого для поджога горючего в поддоне, равного 3 мин.
Процесс истечения ГПС из МПП регистрировался на скоростную видеокамеру «Olympus». В камере предусмотрены два режима работы. Видеозапись можно осуществлять с пространственным разрешением 640 х 480 пикселов и 120 кадрами в секунду либо 320 х 240 пикселов и 240 кадрами в секунду.
Обработка зарегистрированной информации велась покадрово. Каждый кадр видеозаписи переносился на бумажный носитель. По изображению кадра определялся масштаб съемки и путь, пройденный фронтом огнетушащего порошка. Для каждого кадра при выбранном режиме записи определялась средняя скорость фронта ГПС на зарегистрированных участках пути от выхода из МПП до очага пожара.
Результаты экспериментального исследования зависимости скорости фронта ГПС для МПП(н) 2,5-КД1-Б2-3-УХЛ1-141 „Миг" от расстояния от выходного отверстия модуля представлены на рисунке 5 в виде кривой, отобра -жаемой экспериментальными точками. Запись процесса движения фронта огнетушащего порошка к очагу пожара осуществлялась со скоростью 240 кадров в секунду и пространственным разрешением 320 х 240 пикселов.
70 V, м/с
1,0 , 1,5
h, м
Рисунок 5. Зависимость скорости фронта ГПС от расстояния от выхода из МПП(н) 2,5-КД1-Б2-3-УХЛ1-141 „Миг": v0 [t = 0) = 55,9 м/с; QnmK = 0,25МВт; cp = 103Джк^К"1; TB=20°C s = 0,5;рнг= 1,1кг/м3; рп = 1920кг/м3
Figure 5. Relationship between the velocityof the GPM(gas-powder mixture) front velocityand the distance fromthe nozzle МПП(н)2,5-КД1-Б2-3-УХЛ1-141 "Mig": v0(t = 0) = 55.9m/s; Q.aox = 0.25MW; cp = 103Jkg_1K_1; TB = 20°C s = 0.5; рнг = 1.1kg/m3; pn= 1920kg/m3 Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.
Сплошная кривая на этом рисунке отображает расчетную зависимость скорости фронта огнетушащего порошка от пройденного расстояния.
Мощность пожара при расчетах принималась равной дпож ~ 0,250 МВт.
Из хода построенных кривых видно удовлетворительное согласие во второй половине пути движения фронта
ГПС к очагу пожара расчетных величин его скоростей с из -меренными значениями. Отсутствие корреляции рассчитанных и измеренных скоростей фронта ГПС на начальном этапе движения к очагу пожара и наличие максимума ско -рости в экспериментальной кривой можно объяснить особенностями формирования струи ГПС используемым в эксперименте типом МПП. Выпуск огнетушащего порошка из
МПП(н) 2,5-КД1-Б2-3-УХЛ1-141 „Миг" осуществлялся в результате разрушения теплового замка запорно-пускового устройства при достижении установленной температуры разрушения. Поток газопорошковой смеси на расстоянии 40 мм от выходного отверстия попадает на перпендикулярно ориентированный к направлению движения частиц порошка плоский распылитель. В результате неупругого со -ударения с ним начальная скорость частиц огнетушаще-го порошка резко падает. Часть потока частиц, отраженных от распылителя в направлении, обратном начальному, взаимодействует с частицами порошка исходного потока. В результате взаимодействия часть частиц исходного потока отклоняется от начального направления и проходит мимо распылителя по направлению к очагу пожара. Вследствие снижения скорости частиц порошка сопротивление воздуха, которое пропорционально квадрату их скорости,
будет незначительно тормозить их движение. Скорость частиц огнетушащего порошка при этом будет расти под дей -ствием силы тяжести. При возрастании скорости частиц начнет увеличиваться сопротивление воздуха, что приведет в совокупности с действием восходящих тепловых потоков пожара к снижению их скорости при дальнейшем движении к очагу пожара. Рассмотренные процессы объясняют малую скорость частиц огнетушащего порошка в начале пути их движения и появление максимума скоро -сти на некотором расстоянии от выходного отверстия МПП.
На рисунке 6 отображены зависимости скорости фронта огнетушащего порошка, выбрасываемого из МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/6 „Тунгус", от пути, пройденного от выходного отверстия МПП. Модуль крепился на высоте 13 м от поверхности расположения тестовых очагов пожара класса 1А.
70 и 605040302010-
V, м/с
46
h, м
10
12
Рисунок 6. Зависимость скорости фронта ГПС от расстояния от выхода из модуля МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/6 „Тунгус":
v0 (t = 0) = 67,85 м/с ; Qm = 0, 25 МВт; ср = 10к Джкги К"1; Тв = 20°C е = 0,5; рш = 1 ,1кг/м3; рп = 1920 кг/м 3
Figure 6. RelationshipbetweenGPM (gas-powdermixture)frontvelocityandthe distance fromthe exitofnozzle МПП(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/6
"Tungus": v0 (t = 0 ) = 67.85 m/s ; QnM = 0.25 MW; cp = 103Jkg_1K_1; TB=20°C e = 0.5; рнг = 1.1kg/m3; pn = 1920 kg/m3
Источник:Собственная разработка.
Source: Own elaboration.
0
0
2
8
Сплошная кривая на рисунке отображает расчетную динамику изменения скорости фронта ГПС, а дискретная кривая построена по результатам измерения этой скорости на различных расстояниях от МПП.
Мощность пожара при расчетах принималась равной дпож ~ 0,250 МВт. Запись процесса движения фронта огнетушащего порошка к очагу пожара осуществлялась со скоростью 120 кадров в секунду и пространственным разрешением 640 х 480 пикселов.
Сопоставление результатов теоретических оценок скорости фронта ГПС на различных удалениях от выходного отверстия МПП и полученных экспериментальных способом свидетельствуют о их качественном соответствии.
Наблюдаемое различие между оценочными и измеренными значениями скорости фронта ГПС в рассматриваемом примере тушения пожара МПП типа МП-П(н)9-КД1-Б2-ГЭ-У2-1/6 «Тунгус» можно объяснить двумя причинами. Во-первых, несовершенством предложенной
теоретической модели движения ГПС к очагу пожара, кото -рая не учитывает изменение (увеличение) эквивалентного диаметра струи при удалении от модуля. Учет данного фактора особенно важе н при высотном тушении пожара, как в рассматриваемом случае. Другой причиной расхождения результатов экспериментальной и теоретической оценки скоростей фронта ГПС является большая погрешность в данном эксперименте графического способа определения скорости фронта ГПС.
Выводы
Разработана математическая модель динамики газопорошковой смеси в открытом пространстве на пути к поверхности горения при заданных эксплуатационных характеристиках МПП и энергетических параметрах пожара;
Получено соотношение для оценки скорости частиц огнетушащего порошка на различных расстояниях от
выходного отверстии МПП при движении их к очагу пожара заданной мощности.
Полученные результаты могут быть использованы при проведении испытаний МПП импульсного типа для оценки пространственно-энергетических параметров очагов пожара, которые могут быть ими потушены, а также в задачах проектировании МУПП для определения пневмо-за-грузочных параметров МПП по известным техническим характеристикам применяемого огнетушащего вещества, предполагаемым значениям мощности очага пожара и высоты расположения МПП.
Литература
[1] Kulyavtsev E.Y., Kazantsev V.R., Kuimov R.I., Modeling of gas-dynamic processes actuation dry chemical extinguishing module using analogy droplet liquid-pseudoliquid, "Vestnik nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v ugol'noi promichlenosti" 2013, 11, 76-82.
[2] Kazantsev V.R., Ovcharenko E.A., Kulyavtsev E.Y., Sipin E.V., Tup-kin N. U., Modeling of the two-phase gas-powder mixture through the expiration of the short nozzles considering the high solids content in the gas phase, "Vestnik nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v ugoTnoi promichlenosti" 2015, 1, 31-35.
[3] Kulyavtsev E.Y., Kazantsev V.R., Ovcharenko A.G., Petrov E.A., Some features of the application of powder extinguishing modules, "Vestnik nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v ugol'noi promichlenosti" 2012, 1, 74-82.
[4] Kasatkin A.G., The main processes and devices of chemical technologies, 6-edition, Goschemizdat, Moskva 1975.
[5] Stabnikov V.N., Processes and devices of food manufactures, Agropromizdat, Moskva 1985.
[6] Koshmarov U.A., Prediction of fire hazards in the room, Academy of GPS MVD Russia, Moskva 2000.
КИЦАК АНАТОЛИЙ ИЛЬИЧ - ведущий научный сотрудник отдела исследований автоматических средств обнаружения и ликвидации чрезвычайных ситуаций НИИ ПБ и ЧС МЧС Беларуси, кандидат физико-математических наук. Область интересов: физическая оптика, лазерная физика, когерентная и нелинейная оптика, радиофизика, теплофизика.
