CC BY
64
ml. kpt. inz. Tomasz Kielbasa Jednostka Certyfikujqca CNBOP
AEROZOLE GASNICZE I ICH GENERATORY Extinguishing aerosols and their generators
Streszczenie
Artykul prezentuje tematyk^ aerozoli gasniczych oraz ich klasyfikaj w ramach ukladow dyspersyjnych. Przedstawiono budow^ i zasad^ dzialania generatorow aerozolu powstaj^cego podczas spalania stalego materialu aerozolotworczego. Przedstawiono mechanizm powstawania i rozprzestrzeniania si^ aerozoli gasniczych, oraz zaprezentowano wyniki dost^pnych prac badawczych prowadzonych na swiecie w celu wyjasnienia mechanizmu dzialania gasniczego aerozoli.
Summary
The article concerns the extinguishing aerosols and their classification within dispersion systems. A construction and functioning of generators of aerosol produced while combustion of an aerosol forming compound are described. There are presented both a mechanism of generation and transport of extinguishing aerosols and also some available results of worldwide research works, carried out in order to explain mechanism of extinguishing activity of aerosols.
Slowa kluczowe: aerozol, gaszenie, generator, rozprzestrzenianie Key words: aerosol, extinguishment, suppression, generator, transport
Wst^p
Z chwilq odkrycia negatywnego oddzialywania halonow na warstw? ozonowq, rozpocz?to ograniczanie ich stosowania postanowieniami Protokolu Montrealskiego1 z wrzesnia 1987 roku oraz rozporzqdzenia Wspolnoty Europejskiej nr 2037/20002, Sytuacja ta stala si? przyczynq rozwoju wielu alternatywnych metod i rozwiqzan w zakresie gaszenia pozarow, zwlaszcza w tych obszarach, gdzie halony byly jedynym dost?pnym i skutecznym srodkiem gasniczym. Chociaz produkcja halonow zakonczona zostala oficjalnie w 1994 roku, poszukiwania idealnego zamiennika halonow trwajq nieprzerwanie na calym swiecie.
Wsrod propozycji obiecujqcych, a jednoczesnie przyjaznych dla srodowiska, srodkow gasniczych, znalazly si? rowniez aerozole gasnicze. Bezposredniq przyczynq zainteresowania zdolnosciami gasniczymi aerozoli staly si? obserwacje poczynione podczas badan w zakresie procesu spalania stalych paliw rakietowych, realizowanych w ramach rosyjskiego programu kosmicznego SOYUZ3. Taki stan rzeczy potwierdza dodatkowo fakt, ze pierwsze propozycje praktycznego wykorzystania aerozoli gasniczych, powstajqcych na drodze reakcji spalania stalych mieszanin aerozolotworczych, do ochrony pomieszczen na wypadek powstania pozaru, opracowane zostaly wlasnie w Rosji. Tam tez wzi?la swoj poczqtek koncepcja budowy i stosowania generatorow aerozolu gasniczego wytwarzanego w procesie spalania specjalnego materialu aerozolotworczego.
Aerozole gasnicze znajdujq zastosowanie w odniesieniu do grup pozarow A (spalanie na powierzchni materialu stalego), B i C4 zgodnie z PN-EN 2. Niemniej podczas planowania ochrony generatorami aerozolu gasniczego nalezy miec na uwadze, ze istniejq. takie zagrozenia, do zabezpieczenia ktorych przedmiotowe medium gasnicze nie b?dzie odpowiednie5 oraz, ze w okreslonych okolicznosciach zaistniec mogq dodatkowe zagrozenia wynikajqce ze stosowania generatorow takie jak: redukcja widocznosci wywolana unoszqcym si? aerozolem, potencjalna toksycznosc produktow reakcji spalania stalej mieszaniny aerozolotworczej, turbulencje powodowane gwaltownym wyplywem strumienia aerozolu z generatora oraz zagrozenia termiczne zwiqzane z wytwarzaniem aerozolu na drodze reakcji
1 Protokol montrealski w sprawie substancji zubozaj^cych warstw^ ozonow^ (Dz. U. z 1992, Nr 98, poz. 490)
2 Rozporz^dzenie (WE) NR 2037/2000 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 czerwca 2000 r. w sprawie substancji zubozaj^cych warstw^ ozonow^ (Dz. Urz. WE Nr L 244 z dnia 29.09.2000 r.)
3 G.G. De Parenti: Aerosol overview, w: Fire Safety Engineering, July/August 2009, s. 25
4 Technical report CEN/TR 15276-1 Fixed firefighting systems — Condensed aerosol extinguishing systems — Part 1: Requirements and test methods for components, CEN, January 2009
5 P. Zbrozek, Generatory aerozoli gasniczych wytwarzanych pirotechnicznie, w: Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza, nr 02/03/04 2006, CNBOP, Jozefow 2006, s. 234
spalania i jego uwalnianiem pod wysokq temperature z generatora6,7. Sytuacje takie wymagajq od producentow oraz dostawcow urzqdzen gasniczych aerozolowych lub projektantow podejmowania dodatkowych zabiegow i/lub srodkow ostroznosci w przedmiocie wyzej wymienionych zagrozen.
Zarowno problematyka stosowania aerozoli na potrzeby ochrony przeciwpozarowej, w tym dotyczqca powstawania i rozprzestrzeniania si? aerozoli, mechanizmu ich dzialania gasniczego, jak rowniez zagadnienia budowy, oraz sposobu i efektow dzialania generatorow aerozolu gasniczego, zostaly jak dotychczas bardzo skromnie opisane w literaturze krajowej. Co wi?cej informacje dost?pne w literaturze zagranicznej opracowane sq w zroznicowanym stopniu i zakresie, przez co utrudnione jest kompleksowe zapoznanie si? z powyzszymi zagadnieniami. Natomiast znajomosc przywolanych zagadnien ma kluczowe znaczenie dla prawidlowego rozeznania mozliwosci gasniczych tego typu urzqdzen.
Powyzsza sytuacja stala si? inspiracjq do zebrania najwazniejszych informacji w zakresie aerozoli gasniczych oraz ich generatorow, w celu zaprezentowania w przedmiotowym artykule.
Aerozole gasnicze jako uklady dyspersyjne
Przez uklady dyspersyjne rozumiec nalezy takie uklady, w ktorych male czqstki jednej substancji rozproszone sq w innej substancji8. W kazdym ukladzie dyspersyjnym wyst?puje granica faz, warunkujqcq mozliwosc wyroznienia fazy rozproszonej, oraz fazy rozpraszajqcej, ktora otacza i oddziela od siebie czqstki fazy rozproszonej. Ponadto w ukladach dyspersyjnych dwufazowych, ktore stanowiq przedmiot niniejszych rozwazan, wyroznia si? nast?pujqce rodzaje rozproszenia9:
• rozproszenie czqsteczkowe (mieszaniny jednorodne, roztwory wlasciwe),
• rozproszenie koloidalne (uklady niejednorodne, koloidalne),
• rozproszenie makroskopowe (uklady niejednorodne, zawiesiny).
W tym wypadku za kryterium podzialu przyjmuje si? wielkosc czqstek substancji rozproszonej. Niestety literatura w tym zakresie podaje rozbiezne wartosci sluzqce do klasyfikacji ukladow dwufazowych. Przyj?cie pewnej wielkosci charakterystycznej, pozwala
6 AS/NZS 4487 Pyrogen fire extinguishing systems, AS/NZS, 1997.
7 NFPA 2010 Standard for Fixed Aerosol Fire Extinguishing Systems, NFPA, 2005 edition
8 P.W. Atkins, Podstawy chemiifizycznej, PWN, Warszawa 2002, s. 479
9 L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning, Chemia w budownictwie, Wyd. Arkady, Warszawa 1995, s. 50
na dokonanie zgrubnego podzialu ukladow dyspersyjnych. Wielkosci^. tak^ moze bye dlugose fali swiatla widzialnego, gdyz cech^. charakterystyczn^. koloidow jest to, ze nie mog^. bye obserwowane pod mikroskopem optycznym. Niektore zrodla podaj^, ze cz^stki koloidalne to takie, ktorych srednica wynosi nieco ponizej 5• 10-7 m10. Maj^c na uwadze zaproponowany wczesniej podzial ukladow dyspersyjnych ze wzgl?du na rodzaj wyst?puj^cego rozproszenia, przyj^e mozna kryteria klasyfikacyjne ukladow jak nizej11:
uklady o rozproszeniu cz^steczkowym, zwane powszechnie roztworami wlasciwymi -
wielkosci cz^stek rozpraszanych < 10-10 m
uklady koloidalne - wielkosci cz^stek rozpraszanych zawieraj^. si? w przedziale 10 - 10-9 m
-6
• uklady o rozproszeniu makroskopowym, czyli zawiesiny niejednorodne - wielkosci cz^stek rozpraszanych > 10-6 m
Cech^. wyrozniaj^c^. powyzszego podzialu jest niew^tpliwie fakt, ze nie stoi on w sprzecznosci z tez^ dotycz^c^. cz^stek rozpraszanych o srednicy odpowiadaj^cej dlugosci fali swiatla widzialnego.
Podzialowi podlegaj^. nast?pnie same uklady koloidalne, ktore klasyfikuje si? przede na podstawie stanu skupienia tworz^cych je skladnikow. Szczegolowy podzial ukladow dyspersyjnych, w tym ukladow o rozproszeniu koloidalnym prezentuje tabela nr 1.
Tabela nr 1
12
Podzial ukladow dyspersyjnych
Faza
Uklady j ednofazowe (roztwory wlasciwe)
Uklady wielofazowe
rozprasza-
j^ca
rozpraszana
rozproszenie
cz^steczkowe
rozproszenie
koloidalne
rozproszenie
makroskopowe
Gaz
gaz
roztwory gazow
nie wyst?puje
nie wyst?puje
roztwory gazow z udzialem par cieczy
aerozole ciekle -mgly
zawiesiny cieczy w gazie
cialo stale
roztwory gazow z udzialem par cial stalych
aerozole stale dymy
zawiesiny stalych cz^stek w gazie
Ciecz
gaz
roztwory gazow w cieczach
piany koloidalne
zawiesiny gazu w cieczy (piana)
roztwory cieczy
emulsje koloidalne
zawiesiny cieczy w
P.W. Atkins, Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa 2002, s. 479
L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning, Chemia w budownictwie, Wyd. Arkady, Warszawa 1995, s. 50 ! T amze, s. 51 -52
cieczy - emulsje
cialo stale roztwory zole - roztwory koloidalne zawiesiny stalych cz^stek w cieczy
Cialo stale gaz roztwory gazow w cialach stalych stale piany koloidalne zawiesiny gazu w ciele stalym - stala piana
ciecz roztwory cieczy w cialach stalych stale emulsje zawiesiny cieczy w ciele stalym
cialo stale krysztaly mieszane stale zole zawiesiny cz^stek ciala stalego w ciele stalym
Otrzymywanie roztworow koloidalnych, w tym aerozoli, mozliwe jest na dwa sposoby
- za pomoc^ metod dyspersyjnych lub kondensacyjnych. Pierwsza z metod polega na zmniejszaniu cz^stek wi?kszych do momentu otrzymania cz^stek o wymiarach koloidalnych. Metody kondensacyjne opieraj^ si? natomiast na wzajemnym l^czeniu si? cz^stek znajduj^cych si? w stanie rozproszenia molekularnego, na drodze odpowiednich reakcji chemicznych13. Warto przy tym podkreslie, ze powstawanie ukladow koloidalnych determinowane jest przede wszystkim stopniem rozdrobnienia fazy rozpraszanej, choc nie bez znaczenia pozostaje odpowiedni dobor substancji rozpraszanej jak i rozpuszczalnika.
Roztwory koloidalne posiadaj^ pewne cechy wyrozniaj^ce je sposrod pozostalych ukladow dyspersyjnych. Podstawow^. ich cech^. jest bardzo silne rozwini?cie powierzchni fazy rozproszonej w porownaniu z powierzchni^, jaka wyroznia t? sam^. ilose substancji w fazie zwarte. Oprocz omowionych cech fizycznych uklady koloidalne charakteryzuje wyst?powanie m.in. zjawisk takich jak ruchy Browna, efekt Tyndalla, foto-, elektro-, i termoforeza14.
Po uwzgl?dnieniu powyzszych informacji przyst^pie mozna do sformulowania definicji aerozolu gasniczego. Pod poj?ciem tym rozumiee nalezy taki uklad dyspersyjny, w ktorym faz^ rozpraszaj^c^ jest powietrze atmosferyczne lub inny gaz stanowi^cy wypelnienie strefy wyst?powania aerozolu wraz z gazowymi produktami spalania materialu aerozolotworczego, a faz? rozproszon^ stanowi^. ciekle i stale produkty spalania tegoz materialu. Cech^. wyrozniaj^c^. aerozole gasnicze s^. ich wlasciwosci inhibicyjne, ktore powoduj^. przerwanie procesu spalania zachodz^cego w fazie plomieniowej, po uprzednim dostarczeniu aerozolu do przestrzeni, w ktorej dany plomien wyst?puje.
Aerozole to uklady polidyspersyjne, w ktorych drobiny rozpraszanej fazy cieklej i stalej przybieraj^. zroznicowan^ wielkose i ksztalt. W przypadku aerozoli gasniczych w powszechnym uzyciu stosowane jest poj?cie sredniej masowej srednicy aerodynamicznej
13 Tamze, s. 54
14 Tamze, s. 55
MMAD (ang. mass median aerodynamic diameter). Przez srednic? aerodynamiczn^ rozmiee nalezy srednic? kulki o jednostkowej g?stosci pp = 1 g/cm3, o tej samej granicznej pr?dkosci opadania, co dana cz^stka15. Wedlug nomenklatury amerykanskiej16 MMAD jest to srednica, ktora wraz ze standardowym odchyleniem geometrycznym, uzywana jest do opisu statystycznego rozkladu wielkosci cz^steczek aerozolu, bazuj^c na wadze i wielkosci geometrycznej tych cz^steczek. Przyjmuje si?, ze 50% cz^stek wyst?puj^.cych w aerozolu jest mniejszych, a pozostale 50% jest wi?kszych od MMAD.
Z danych literaturowych17 wynika, ze wielkose cz^stek fazy rozproszonej aerozoli gasniczych zawiera si? zwykle w przedziale od 0,1 do 5 |im. Norma18 definiuj^c aerozol gasniczy podaje, ze srednica wyst?puj^cych cz^steczek fazy rozpraszanej nie przekracza
10 |im. Badania wybranych konstrukcji generatorow aerozolu gasniczego19 wskazuj^, ze srednice modalne (tj. takie ktore maj^ najwi?kszy udzial w rozkladzie wielkosci) cz^stek aerozolu wytwarzanych podczas procesu spalania materialu aerozolotworczego, wynosz^. 5,54 (wg masy), 0,85 (wg licznosci) oraz 2,52 (wg pola powierzchni cz^stek).
Informacje te wskazuj^, ze wynikiem pracy generatorow nie s^. wyl^cznie aerozole, jak podano na etapie propozycji przyj?cia podzialu dwufazowych ukladow dyspersyjnych, lecz dwu- lub trojfazowe uklady o rozproszeniu makroskopowym, a wi?c zawiesiny kropelek cieczy i/lub cz^stek cial stalych w gazie (patrz tabela nr 1).
Wytlumaczeniem zaistnialej sytuacji jest fakt, ze problematyk^. cz^stek aerozolowych zainteresowanych jest wiele dziedzin wiedzy. Wplywa to na rozproszenie informacji i omawianie przedmiotowych zagadnien z roznych punktow widzenia. Proby pogl?bienia wiedzy w tym zakresie, nie pozwalaj^. wyjasnie zaistnialych w^tpliwosci. Bowiem wedle nazewnictwa stosowanego w literaturze przedmiotu wybuchow pylow20, aerozole gasnicze winny bye raczej okreslane mianem np. oparow (ang. fumes), lub dymow (ang. smoke), b^dz pylow, a tu w uszczegolowieniu na pyly drobne oraz najdrobniejsze, pyly makroskopowe bardzo drobne lub pyly koloidalne grube.
Bior^c pod uwag? powyzsze, oraz maj^c na wzgl?dzie utarte i powszechnie stosowane nazewnictwo w ochronie przeciwpozarowej, jak rowniez wyst?powanie opisanych w niniejszym rozdziale zjawisk charakterystycznych dla ukladow koloidalnych, w praktyce
15 J. Warych, Oczyszczanie gazow: procesy i aparatura, WNT, Warszawa 1998, s. 33
16 NFPA 2010 Standard for Fixed Aerosol Fire Extinguishing Systems, 2005 edition
17 N.P. Kopylov [et al.], Toxic hazard associated with fire extinguishing aerosols: the current state of the art and a method for assessment, Halon Option Technical Working Conference, HOTWC 2001, str. 332
18 NFPA 2010 Standard for Fixed Aerosol Fire Extinguishing Systems, 2005 edition
19 Technical report No. NAWCADPAX/TR-2004/123 Risk assessment for acute exposure to pyrogen: apyrotechnically-generatedfire extinguishing aerosol, NAWC, Maryland, 11 January 2005, s. 4
20 T. Ostrowski, Wybuchy pylow w przemysle, Instytut Wydawniczy CRZZ, Warszawa 1980, s. 5
nazwa aerozolu gasniczego stosowana jest w odniesieniu do mieszaniny gazowych, cieklych i stalych produktow spalania masy aerozolotworczej uzywanej w generatorach aerozolu gasniczego.
Budowa i zasada dzialania generatorow aerozolu gasniczego
Generatory aerozolu gasniczego to, w najogolniejszym uj?ciu, urz^dzenia, w wyniku pracy ktorych dochodzi do wytworzenia aerozolu gasniczego i dostarczenia go do przestrzeni chronionej, bezposrednio lub przez odpowiednio zaprojektowany i zainstalowany uklad wyplywowy.
Wyroznia si? dwa podstawowe sposoby wytwarzania aerozoli gasniczych21 22:
• aerozole wytwarzane podczas reakcji spalania (ang. condensed aerosol),
• aerozole wytwarzane pneumatycznie (ang. dispersed aerosol).
Oczywistym jest, ze przedstawione sposoby warunkuj^. wyst?powanie dwoch rodzajow generatorow aerozoli gasniczych, ktorych zasady pracy opieraj^ si? na wymienionych sposobach wytwarzania aerozoli. Otoz w pierwszym z ww. rodzajow aerozoli, sposob ich wytwarzania ogranicza si? do zainicjonowania i podtrzymania reakcji spalania mieszaniny odpowiednio dobranych materialow stalych, zamkni?tych w metalowej obudowie. Materialy takie odznaczae si? musz^ przede wszystkim dobrymi wlasciwosciami aerozolotworczymi w trakcie ich spalania, jako ze w wyniku tego procesu dojse musi do wytworzenia aerozolu, ktory uwolniony do otoczenia odznaczal si? b?dzie wlasciwosciami inhibicyjnymi w odniesieniu do reakcji spalania innych materialow.
Ryc. 1. Powstawanie aerozolu gasniczego podczas spalania stalej mieszaniny
aerozolotworczej.
21 NFPA 2010 Standard for Fixed Aerosol Fire Extinguishing Systems, NFPA, 2005 edition
22 IMO MSC/Circ. 1007 Guidelines for the approval of fixed aerosol fire-extinguishing systems equivalent to fixed gas fire-extinguishing systems, as referred to in SOLAS 74, for machinery spaces, IMO, 26 June 2001, s. 1
Co si? natomiast tyczy aerozoli gasniczych wytwarzanych pneumatycznie, praca generatorow tych aerozoli przypomina prac? gasnic proszkowych, bowiem w obydwu przypadkach proszek stosowany w urz^dzeniach przechowywany jest w specjalnie zaprojektowanym zbiorniku, a podawanie go do przestrzeni chronionej odbywa si? przy uzyciu strumienia spr?zonego gazu. Niemniej jednak cech^. rozrozniaj^c^ te urz^dzenia jest srednica stosowanych ziaren proszku, ktora w przypadku generatorow aerozolu wytwarzanego pneumatycznie wynosi ok. 1 |im23, podczas gdy w gasnicach proszkowych wacha si? od 20 do 200 |im24
Warto tutaj zauwazye, ze w powszechnym uzyciu znajduj^ si? glownie generatory aerozolu wytwarzanego na drodze reakcji spalania, natomiast w przypadku aerozoli wytwarzanych pneumatycznie niewielka srednica ziaren sprawia problemy m.in. na etapie ich wytwarzania oraz w zakresie utrzymania wlasciwosci uzytkowych w dluzszej perspektywie czasu. Wymienione powody w glownej mierze decyduj^. o tym, ze jak dotychczas generatorow tych aerozoli nie wdrozono do produkcji na skal? przemyslow^..
Generatory aerozolu gasniczego wytwarzanego podczas reakcji spalania pozostaj^ w stanie dozorowania pod cisnieniem otoczenia. Wyst?puj^. one najcz?sciej pod postaci^ cylindrow, skrzynek b^dz stanowi^. modyfikacj? tych ksztaltow. W zaleznosci od przeznaczenia masa generatorow bywa rozna. Wynosie moze od kilkunastu gramow, np. w przypadku potrzeby miniaturyzacji urz^dzen w celu zabezpieczenia miejsc trudnodost?pnych, jak choeby podczas zabezpieczania podzespolow elektronicznych funkcjonuj^cych w ramach wi?kszego urz^dzenia, nawet do kilkunastu i kilkudziesi?ciu kilogramow, gdy stosowane s^. do zabezpieczania przestrzeni wielkokubaturowych.
Efektem dzialania generatorow jest dostarczanie aerozolu do przestrzeni, w ktorej zostaly zainstalowane. Srodek gasniczy powstaj^cy w wyniku spalania mieszaniny substancji aerozolotworczej odznacza si? kilkoma waznymi cechami. Unosz^cy si? aerozol nie przewodzi pr^du elektrycznego, wobec czego podczas stosowania nie powoduje uszkodzen urz^dzen elektrycznych, niemniej warto tu zwrocie uwag? na zjawisko osiadania aerozolu i mozliwose tworzenia na powierzchniach cial stalych warstw przewodz^cych. Ponadto aerozole gasnicze nie maj^ negatywnego wplywu na srodowisko naturalne tzn. nie niszcz^. warstwy ozonowej Ziemi (ODP = 0), oraz nie wplywaj^. na globalne ocieplenie (GWP=0)25.
23 P. Zbrozek, Generatory aerozoli gasniczych wytwarzanych pirotechnicznie, w: Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza, nr 02/03/04 2006, CNBOP, Jozefow 2006, s. 230,
24 A. Mizerski, M. Sobolewski, Srodki gasnicze, SGSP, Warszawa 1997, s. 191
25 B. Krol, Aerozole gasnicze, w: Przegl^d pozarniczy, nr 6/2000, KG PSP, Warszawa 2000, s. 23
Reakcjom zachodz^cym podczas pracy generatorow aerozolu gasniczego towarzyszy szereg zjawisk, charakterystycznych dla procesu spalania. S3, to przede wszystkim wzrost temperatury oraz wzrost cisnienia wewn^trz urz^dzenia. Spowodowane jest to gwaltownym przebiegiem procesu spalania, podczas ktorego dochodzi do wydzielenia znacznej porcji energii, przy jednoczesnym generowaniu produktow spalania o duzej obj?tosci w stosunkowo krotkim czasie. Temperatura wyst?puj^ca podczas spalania materialu aerozolotworczego wewn^trz generatora dochodzie moze do 15000C 26.
W konstrukcji generatorow aerozolu gasniczego wytwarzanego podczas procesu spalania specjalnego materialu aerozolotworczego wyroznie mozna podstawowe podzespoly i materialy sluz^ce do ich budowy. S3 to m.in.:
• metalowa obudowa, wraz z komorami srodka aerozolotworczego, reakcji spalania i chlodzenia,
• material aerozolotworczy,
• zapalnik wyzwalany elektrycznie,
• zapalnik wyzwalany termicznie (wyst?puj ^cy opcj onalnie),
• srodek chlodz^cy (chlodziwo),
• uklad wyplywowy strumienia uwalnianego aerozolu.
Na rycinie 2 zobrazowano przykladow^ konstrukcj? generatora aerozolu gasniczego wyzwalanego pirotechnicznie.
26 N.S. Kopylov [et al.]: The modification of the characteristics of the condensed fire extinguishing aerosol during its distribution through the pipelines, NIST Special Publication 984-2 Halon Options Technical Working Conference, 14th. Proceedings. HOTWC 2004, Albuquerque (NM), s. 1
Ryc. 2. Konstrukcja generatora aerozolu gasniczego wytwarzaj^cego aerozol w procesie
spalania materialu aerozolotworczego27.
Glownym zadaniem obudowy generatora jest zapewnienie bezpiecznych oraz efektywnych warunkow pracy urz^dzenia. Realizacja tych zadan mozliwa jest poprzez izolowanie strefy spalania materialu aerozolotworczego od przestrzeni, w ktorej generator zostal zainstalowany. Jednoczesnie obudowa zapewnienia warunki dla przebiegu procesow powstawania i transportu wydzielonego aerozolu na zewn^trz urz^dzenia. By bylo to mozliwe obudowa dzieli zazwyczaj przestrzen wewn?trzn^ generatora na trzy podstawowe komory:
• komor? srodka aerozolotworczego - w ktorej umiejscowiona jest mieszanina paliwo -utleniacz,
• komor? reakcji chemicznej - w ktorej zachodzi proces spalania srodka aerozolotworczego
• komor? chlodzenia - w ktorej dochodzi do obnizenia temperatury wytworzonego aerozolu.
W obudowie, w bezposrednim s^siedztwie komory chlodzenia, znajduj^ si? otwory, ktorymi bezposrednio, b^dz za pomoc^ dodatkowo zainstalowanych elementow
27 P. Kangedal, T. Hertzberg, M. Arvidson, Pyrotekniskt genererade aerosoler for brandslackining — en litteraturstudie, SP RAPPORT 2001:28, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Szwecja 2001, s. 12
wyplywowych, aerozol odprowadzany jest na zewn^trz urz^dzenia. Obudowy generatorow wykonywane s^ z materialow wytrzymalych i odpornych na wysok^ temperatur? pracy urz^dzenia. Obecnie jako material obudowy stosowane s^ najcz?sciej stale nierdzewne lub stopy aluminium.
Najistotniejszym elementem skladowym generatorow, z punktu widzenia realizowanych przez nie zadan, jest umiejscowiona wewn^trz obudowy urz^dzenia stala mieszanina aerozolotworcza, zwana rowniez paliwem stalym. Specjalne wlasciwosci tej kompozycji sprawiaj^, ze produkty jej spalania, wyst?puj^ce w stanie gazowym, cieklym i stalym, oddzialywaj^ na srodowisko pozaru, prowadz^c do jego ugaszenia.
Mas? aerozolotworcza stanowi mieszanina paliwa z utleniaczem. Paliwo pelni jednoczesnie rol? spoiwa. Substancja aerozolotworcza wyst?puje zazwyczaj w postaci sprasowanego bloku materialu. Pomimo wyst?puj^cej roznorodnosci pomi?dzy stosowanymi obecnie kompozycjami aerozolotworczymi, z reguly w ich skladzie wyroznie mozna 28:
• nieorganiczne utleniacze np. KNO3, KClO4,
• dodatkowe sole potasu (rzadziej sodu) np. KCl,
• organiczne lub nieorganiczne materialy palne np. mieszaniny zywic fenolowych,
poliestrowych i epoksydowych, Mg.
W wyniku gwaltownej reakcji spalania paliwa, ktora zachodzi wewn^trz obudowy generatora, powstaje aerozol gasniczy. Formowany jest on z gazowych produktow reakcji spalania paliwa z utleniaczem tj. azotu, dwutlenku w?gla i pary wodnej, a towarzysz^ce im zwi^zki potasu (np. w?glany, wodorow?glany lub chlorki) wyst?puj^ najcz?sciej w fazie stalej i cieklej. Ok. 40 do 50% wag. stalej mieszaniny aerozolotworczej daje faz? ciekl^ i stal^. (patrz tabela nr 2). Z pozostalej cz?sci mieszaniny generowane s^ gazowe produkty spalania, uwalniane na zewn^trz, oraz zuzel i popiol, zalegaj^ce wewn^trz generatora, po zakonczeniu jego pracy. W zaleznosci od rodzaju mieszaniny aerozolotworczej wsrod gazowych produktow spalania znaleze si? mog3 rowniez tlenek w?gla, tlenki azotu, metan, amoniak, cyjanowodor itp. Przewaznie substancje te identyfikowane s^ w ilosciach sladowych, choe poziom emisji substancji toksycznych przez dany rodzaj kompozycji aerozolotworczej winien bye kazdorazowo potwierdzany stosownymi wynikami badan.
28 V.V. Agafonov [et al.]: The mechanism of fire suppression by condensed aerosols NIST SP 984-3, Halon Options Technical Working Conference, 15th Proceedings. HOTWC 2005, Albuquerque, NM, s. 1
Z dost?pnych danych literaturowych wynika, ze efektywnosc gasnicza soli roznych metali, wyst?puj^cych w pol^czeniu z tym samym anionem rosnie w nast?puj^cej kolejnosci29:
Li < Na < K < Rb
Ponadto stwierdzono, ze latwosc pirolizy, przekladaj^ca si? na skutecznosc gasnicz^, zwi^zkow tego samego metalu z roznymi anionami ulegac b?dzie zmianie wedlug ponizszego schematu30:
szczawian > cyjanek > w?glan > jodek > bromek > chlorek > siarczan > fosforan
Bior^c pod uwag?, zarowno wlasciwosci toksyczne pewnych zwi^zkow, b^dz ich pochodnych (szczawiany, cyjanki) oraz utrudniony dost?p do wybranych metali (rubid), z przedstawionych porownan wynika, ze w?glany potasu stanowic b?d^ srodek gasniczy obdarzony najlepszymi, mozliwymi do uzyskania cechami gasniczymi, z jednoczesnym brakiem zastrzezen, co do bezpieczenstwa w zakresie wdrozenia do powszechnego stosowania.
Dla porownania z powyzsz^. informaj w tabeli nr 2 przedstawiono zestawienie wybranych rodzajow mieszanin aerozolotworczych wraz z ich wybranymi parametrami, wsrod ktorych znalazly si?: a - wspolczynnik nadmiaru tlenu, n - procentowy udzial masy stalej mieszaniny aerozolotworczej z ktorej wytwarzany jest aerozol, Vgf - obj?tosc gazowych produktow spalania mieszaniny aerozolotworczej (przeliczana na jednostk? masy paliwa), Fsf
- masa fazy stalej produktow spalania mieszaniny aerozolotworczej (przeliczana na jednostk? masy paliwa).
Tabela 231
Parametry wybranych mieszanin aerozolotworczych oraz powstalego aerozolu
Rodzaj masy aerozolotworczej (glowne subst. skladowe) a na [% mas.] Vgf [m3/kg] Fsf [% mas.] Sklad chemiczny aerozolu (60 s po wytworzeniu) Wielkosc cz^stek fazy stalej [^m] (udzial w %)
1 2 3 4 5 6 7
STK-5-1 (KNO3, iditol, C, dodatki specjalne) 1.0 85-87 0.22-0.24 52-56 K2CO3-nH20, KOH, CO2, n2 <2 (42) 2-5 (38) >5 (20)
29 R.E. Tapscott, J.D. Mather, Thermodynamics of metal agent fire extinguishment, NIST Special Publication 984, Halon Options Technical Working Conference, 12th Proceedings HOTWC 2002, April 30-May 2, 2002, Albuquerque, NM, s. 2
30 A. Mizerski, M. Sobolewski, Srodki gasnicze, SGSP, Warszawa 1997, s. 191
31 V.V. Agafonov [et al.], The mechanism of fire suppression by condensed aerosols NIST SP 984-3, Halon Options Technical Working Conference, 15th Proceedings. HOTWC 2005, Albuquerque, NM, s. 2
STK-5-2 (KN03, iditol, dodatki specjalne) 0.8 88 0.29 30 K2CO^2H20, KOH, KHCO3, CO2, CO, n2 <2 (36) 2-5 (38) >5 (26)
STK-5-3 (KN03, iditol, dodatki specjalne) 0.5 90 0.36 38 K2CO3^2H20, KHCO3, C, KOH, CO2, CO, n2 <2 (62) 2-5 (26) >5 (12)
STK-2MD (KNO3, iditol, DCDA, dodatki specjalne) 0.4-0.5 95-97 0.44-0.48 42-46 K2C0^nH20, C, KHCO3, KOH, nh4hco3, co2, CO, n2 <1 (52) 1-2 (24) 2-5 (16) >5 (8)
L (KNO3, KClO4, mieszaniny zywice epoksydowe, dodatki specjalne) 0.4-0.5 92-95 0.42-0.52 44-46 KCl, K2C03^nH20, C, co2, CO, n2 <1 (36-40) 1-2 (20-22) 2-5 (20-24) >5 (18-20)
SBK-2 (KNO3, KClO4, diethyl-thermoplast, mieszaniny zywic epoksydowych, dodatki specjalne) 0.4-0.6 94-96 0.54-0.58 42-48 K2C0^nH20, KOH, KHCO3, KnOm, KCl, n2, CO, co2 <1 (58) 1-2 (20) 2-5 (12) >5 (10)
TCh (KNO3, nitroceluloza, dodatki specjalne) 0.5-0.6 95-98 0.60-0.75 38-45 K2C03^nH20, KOH, khco3, co2, n2, CO, Nx0y <1 (60) 1-2 (22) 2-5 (10) >5 (8)
Z tabeli nr 2 wynika, ze w skladzie kazdego z aerozoli gasniczych otrzymywanych z wymienionych srodkow aerozolotworczych znajdujq si? w?glany potasu, co stanowic b?dzie
o ich wysokiej skutecznosci gasniczej. Z tabeli wynika rowniez, ze niezwykle wazny jest dobor skladnikow tworzqcych substancj? aerozolotworczq. Wszelkie modyfikacji skladu masy aerozolotworczej w istotny sposob wplywajq przede wszystkim na przebieg procesu spalania tej masy, co w dalszej kolejnosci przeklada si? na charakter i specyficzne wlasciwosci otrzymywanego aerozolu.
Kolejnym elementem skladowym generatorow sq zapalniki, ktorych wyzwolenie mozliwe jest na drodze elektrycznej, bqdz termicznej. Zapalniki umieszczane sq wewnqtrz urzqdzenia, w bezposrednim sqsiedztwie srodka aerozolotworczego, tak by mozliwe bylo oddanie najwi?kszej ilosci generowanego przez nie ciepla do bloku materialu aerozolotworczego. Rodzaj zastosowanego rozwiqzania konstrukcyjnego w zakresie aktywacji urzqdzenia jest niezmiernie wazny, zwlaszcza z punktu widzenia niezawodnosci dzialania urzqdzenia, gdyz glownym zadaniem zapalnikow jest uruchomienie generatora poprzez zainicjowanie reakcji spalania masy aerozolotworczej. W przypadku zapalnikow elektrycznych, ich konstrukcja oparta jest na zastosowaniu splonki elektrycznej, polqczonej przewodem elektrycznym z urzqdzeniem sterujqcym pracq generatora (bqdz grupy generatorow). Najcz?sciej przedmiotowe urzqdzenie sterujqce stanowi jednoczesnie podzespol wi?kszego systemu np. systemu sygnalizacji pozarowej lub systemu sterowania gaszeniem. W chwili wymagajqcej zadzialania generatora, urzqdzenie sterujqce wysyla liniq. sygnalowq impuls elektryczny o okreslonym nat?zeniu prqdu przy odpowiednim napi?ciu
i przez minimalny okres czasu (np. 0,8 A, przy 12 V przez 3 s) powoduj^c aktywacj? zapalnika, inicjuj^cego zaplon mieszanki paliwo - utleniacz umieszczonej w obudowie generatora, wywoluj^c tym samym aktywacj? generatora aerozolu gasniczego.
Dodatkowo lub opcjonalnie generatory aerozolu gasniczego wyposazone mog^. zostac w zapalnik wyzwalany termicznie. Wyst?puje on zazwyczaj w postaci termoczulego lontu, zaprojektowanego na okreslon^ temperature zadzialania (np. 2000C). Po przekroczeniu okreslonej temperatury otoczenia nast?puje samozaplon lontu, ktory w dalszej kolejnosci uruchamia zapalnik generatora powoduj^c rozpocz?cie reakcji spalania srodka aerozolotworczego. Zapalnik termiczny posiada jeszcze jedn^ bardzo wazn^ zalet? - jego obecnosc w urz^dzeniu umozliwia autonomiczn^ prac? generatorow. Mozliwe jest wtedy umieszczenie urz^dzen bezposrednio w strefie narazonej na wyst^pienie pozaru, bez potrzeby stosowania dodatkowych urz^dzen sterjcych, systemow, zabezpieczen etc., gdyz urz^dzenie to zadziala w sposob samodzielny, niezwlocznie po przekroczeniu temperatury samozaplonu lontu.
Jak juz wczesniej wspomniano srednie temperatury reakcji spalania zachodz^ce wewn^trz generatorow si?gaj^. od 8000C nawet do 15 000C 32. Zatem zanim aerozol zostanie uwolniony na zewn^trz urz^dzenia musi zostac poddany procesowi obnizenia temperatury. Z reguly w generatorach pomi?dzy komor^ spalania, a otworami umozliwiaj^cymi emisj? aerozolu gasniczego na zewn^trz urz^dzenia, znajduje si? material stanowi^cy chlodziwo. W sklad chlodziwa wchodz^. substancje, ktorych glownym zadaniem jest zapobieganie przed wydostawaniem si? plomieni towarzysz^cych reakcji spalania masy aerozolotworczej na zewn^trz urz^dzenia. Stosowane chlodziwo wplywa rowniez na maksymalne obnizenie temperatury aerozolu przed jego emisj^. na zewn^trz, oraz zatrzymanie rozgrzanych cz^stek stanowi^cych pozostalosc po reakcji spalania wewn^trz urz^dzenia, tak by nie stwarzaly one zagrozenia dla osob b^dz przedmiotow znajduj^cych si? w ich bezposrednim s^siedztwie. Substancja chlodz^ca umiejscawiana w generatorach wyst?puje najcz?sciej pod postaci^. granulatu b^dz tabletek o ksztalcie cylindrycznym. W skladzie chlodziwa z reguly wyroznic mozna 33:
32 N.S. Kopylov [et al.], The modification of the characteristics of the condensed fire extinguishing aerosol during its distribution through the pipelines, NIST Special Publication 984-2 Halon Options Technical Working Conference, 14th. Proceedings. HOTWC 2004, Albuquerque (NM), str. 1
33 D.L. Rusin, A.P. Denisyuk, Composition for cooling and simultaneous filtration of the gas-aerosol fire-extinguishing mixture. w: World Intelectual Property Organization. Opis patentowy. WO 2005/023370 A2. Opubl. 17.03.2005
• wypelniacz odpowiedzialny za pochlanianie ciepla - glownie w?glan magnezu i/lub w?glany metali I i II grupy ukladu okresowego pierwiastkow,
• utleniacz - azotan, nadchloran potasu, bqdz ich mieszanina,
• dodatki w procesie produkcyjnym - grafit, stearynian sodu lub wapnia, bqdz ich mieszanina,
• nieorganiczne spoiwo - chlorek potasu, krzemian metalu alkalicznego (sodu lub potasu), bqdz ich mieszanina,
• pozostalosc stanowi sorbent - zeolit lub zel krzemionkowy bqdz ich mieszanina.
Substancja pochlaniajqca cieplo redukuje temperatur? strumienia aerozolu. Obecnosc nieorganicznego spoiwa oraz krzemianow metali alkalicznych zapewnia odpowiednie wlasciwosci uzytkowe mieszaniny. Utleniacz obniza st?zenie produktow niepelnego spalania, a obecnosc sorbentu wplywa na obnizenie st?zenia substancji toksycznych przed emisjq strumienia aerozolu do otoczenia.
Po ochlodzeniu aerozol gasniczy uwalniany jest na zewnqtrz urzqdzenia poprzez otwory wykonane w obudowie. Ksztaltowanie strumienia aerozolu o bezposrednim zasi?gu od kilkudziesi?ciu centymetrow do kilku metrow mozliwe jest za pomocq dodatkowych dysz. Specjalne dyfuzory nakladane na dysze pozwalajq na modyfikowanie zasi?gu i ksztaltu strumienia, a jednoczesnie, tak jak chlodziwo, wychwytujq i zatrzymujq cz?sc zanieczyszczen z aerozolu, w taki sposob, by nie wydostaly si? one na zewnqtrz urzqdzenia.
Dzi?ki bardzo malym rozmiarom czqstek powstajqcych podczas spalania mieszaniny aerozolotworczej aerozole gasnicze mogq utrzymywac si? w calej obj?tosci chronionej przestrzeni przez dluzszy czas, stanowiqc zabezpieczenie pomieszczenia przed rozwojem pozaru bqdz ponownym zapaleniem.
Powstawanie i rozprzestrzenianie si£ aerozoli gasniczych
Fenomen powstawania czqsteczek o duzym stopniu rozdrobienia, formowanych w trakcie ochladzania par substancji stalej, znalazl szereg zastosowan przemyslowych. Ze wzgl?du na szeroki obszar stosowania aerozoli wytwarzanie czqstek o niewielkich rozmiarach byla i wciqz pozostaje przedmiotem wielu rozwazan. Literatura fachowa wskazuje jednak, ze nie zawsze generacja aerozolu wyst?puje w sposob zamierzony, jak ma to miejsce
w przemysle, wskazujqc, jako jeden z licznych przykladow, emisj? aerozoli podczas spalania stalych paliw rakietowych34.
Warto przy tej okazji przypomniec, ze na etapie wprowadzania do powszechnego obrotu na rynku polskim pierwszych generatorow aerozolu gasniczego, ich dystrybutorzy informowali, ze material o wlasciwosciach aerozolotworczych umieszczany w generatorach aerozolu gasniczego to stale paliwo rakietowe. Wskazuje na to przede wszystkim sklad chemiczny paliwa, ktory w obydwu przypadkach, tj. jednorodnych paliw rakietowych i materialow aerozolotworczych umieszczanych w generatorach aerozolu wytwarzanego podczas procesu spalania, oparty jest na obecnosci azotanu potasu w mieszaninie paliwa z utleniaczem. Azotan potasu, zwany rowniez saletrq potasowq lub indyjskq, sluzy, podobnie jak azotan sodu, jako utleniacz stalych paliw rakietowych, a na szerokq skal? wykorzystywany jest do produkcji materialow pirotechnicznych i wybuchowych35.
Niemniej by mieszanka paliwa z utleniaczem, stosowana w generatorach aerozolu gasniczego, mogla zostac wprowadzona do powszechnego uzycia musi zostac poddana procesowi flegmatyzacji. Proces ten w technice wojskowej sluzy zwi?kszeniu stabilnosci paliwa przy malych szybkosciach spalania36. Wobec powyzszego jasnym jest, ze bez dodatku substancji spowalniajqcych szybkosc reakcji spalania masy aerozolotworczej nie byloby mozliwe bezpieczne stosowanie generatorow aerozolu gasniczego.
Przytoczone informacje majq istotne znaczenie dla omowienia zjawiska formowania si? czqstek aerozoli gasniczych podczas dzialania generatorow. Mozliwe jest bowiem wzbogacenie posiadanej wiedzy na temat funkcjonowania generatorow aerozolu gasniczego
0 dodatkowe informacje, poprzez odniesienie si? do literatury wojskowej z zakresu balistyki, w szczegolnosci do teorii dotyczqcej stosowania silnikow rakietowych na paliwo stale.
Szybkosc spalania paliwa w silniku rakietowym zalezy od warunkow okreslajqcych intensywnosc procesow przekazywania ciepla przez produkty spalania warstwie powierzchniowej ladunku oraz od zasobu energii cieplnej, zawartej w paliwie. Do czynnikow okreslajqcych intensywnosc wymiany ciepla pomi?dzy produktami spalania, a cz?sciq nie spalonego ladunku nalezy zaliczyc przede wszystkim cisnienie gazow otaczajqcych ladunek
1 pr?dkosc gazow wzdluz palqcej si? powierzchni oraz ich temperatur?. Ze wzrostem tych wielkosci rosnie intensywnosc wymiany ciepla, nast?pstwem czego jest wzrost pr?dkosci
34 R. Bandyopadhyaya, A.A. Lall, S.K. Friedlander, Aerosol Dynamics and the synthesis offine solid particles, w: Powder Technology, nr 139, 2004, str. 193
35 Slownik chemii praktycznej, Wyd. Wiedza Powszechna, Warszawa 1992
36 Z. Prz?zak, Silniki rakietowe na paliwo stale, Przeglqd Wojsk Lotniczych i Wojskowej Ochrony Powietrznej Kraju, 1984, Nr 6, str. 2
spalania. Temperatura poczqtkowa paliwa stanowi o zasobach energii cieplnej ladunku. W niezmienionych warunkach, w fazie gazowej otaczajqcej ladunek, pr?dkosc spalania rosnie ze wzrostem poczqtkowym temperatury paliwa. Ze wzgl?du na fakt, ze temperatura produktow spalania uwarunkowana jest skladem paliwa, w przypadku rozpatrywania znanego paliwa mozna ograniczyc si? do analizy pr?dkosci spalania tego paliwa (u) w funkcji trzech zmiennych tj. cisnienia (p), pr?dkosci strumienia gazow (w) i temperatury poczqtkowej ladunku (To):
u = f (p; w; To) (3-1)
Ze wzgl?du na podstawowe znaczenie powyzszej zaleznosci w teorii silnikow rakietowych na paliwo stale, zostala ona nazywana prawem szybkosci spalania stalych paliw rakietowych37. Majqc na uwadze, iz istnieje mozliwosc uzyskania niezb?dnych informacji na temat budowy i skladu chemicznego materialu stosowanego w generatorach aerozolu gasniczego, przeto powyzsza zaleznosc moze byc wykorzystana rowniez do analizy szybkosci spalania substancji aerozolotworczych.
Kolejne opisywane zagadnienia dotyczq zjawisk zachodzqcych w przestrzeni zajmowanej przez uwolniony aerozol. Okreslenie rodzaju, charakteru i wielkosci zmian w tym zakresie mozliwe jest po zapoznaniu si? z mechanizmami wyst?pujqcymi podczas rozprzestrzeniania si? aerozoli. Waznym zrodlem informacji na ten temat jest wiedza dotyczqca zachowania si? dymu w przestrzeniach zamkni?tych. Dym wyst?pujqcy podczas pozaru to rowniez uklad dyspersyjny w postaci aerozolu, przy czym podobnie jak aerozole gasnicze, proces jego powstawania opiera si? na reakcji spalania, co dodatkowo przemawia za mozliwosciq skorzystania z wiedzy dost?pnej w tym zakresie.
Uklady koloidalne, ktorych przedstawicielem sq m.in. aerozole, charakteryzujq si? niewielkq termodynamicznq stabilnosciq38. Znajduje to swoje odzwierciedlenie w rzeczywistosci, gdyz podczas rozprzestrzeniania si? aerozoli czqsteczki fazy rozproszonej ulegajq ciqglym przemianom, na ktore skladajq si? procesy przemieszczania, wzajemnego lqczenia si? oraz osadzania na powierzchniach. Spowodowane jest to oddzialywanie zarowno sil wynikajqcych z wzajemnego oddzialywania czqstek gazu i fazy rozpraszanej, jak i wskutek dzialania sil zewn?trznych, takich jak sily ci?zkosci, bezwladnosci, elektrostatyczne, termiczne, dyfuzyjne, magnetyczne itp. Nadmienic w tym miejscu nalezy, ze nie bez znaczenia pozostaje istnienie roznicy w wielkosci i ksztalcie czqsteczek tworzqcych aerozol.
37 'г . о
Tamze, s. 3
38 P.W. Atkins, Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa 2002, s. 481
Jednq z obserwowanych przemian w aerozolu jest lqczenie si? mniejszych czasteczek w wi?ksze. Proces ten zwany jest koagulacjq, bqdz aglomeracjq. Koagulacja wyst?puje na skutek zderzenia si? czqsteczek aerozolu w czasie ich ruchu. Po zetkni?ciu sily pomi?dzy stykajqcymi si? czqsteczkami sq dostatecznie duze, aby uniemozliwic im ponowne rozlqczenie si?. Podstawowym parametrem opisujacym proces koagulacji jest wspolczynnik koagulacji r. W rownaniu koagulacji przyjmuje on wartosc stalq39:
— = -r- N2 (3-8)
dt
gdzie N oznacza calkowite st?zenie (liczb? czqstek) aerozolu w danej chwili czasowej t.
W wyniku koagulacji dochodzi do zmniejszenia liczby czqsteczek rozpraszanych przy jednoczesnym wzroscie ich masy. Wzrost masy przyspiesza proces sedymentacji, ktora polega na opadaniu czqsteczek zgodnie z kierunkiem oddzialywania sily ci?zkosci tj. do Ziemi, gdyz zjawisko to wywolane jest silq grawitacji.
Pr?dkosc opadania (Vs) moze byc wyznaczona na podstawie ponizszej zaleznosci40:
Pp • d2 • g• C
Vs = p 18 * (3-9)
18 n
gdzie: d - srednica czqsteczki, pp - g?stosc czqsteczki, g - przyciqganie ziemskie, n - lepkosc dynamiczna powietrza, C - poprawka Cunninghama (zwana rowniez wspolczynnikiem poslizgu Cunninghama).
Jezeli rozmiary rozpraszanych czqstek sq zblizone do sredniej drogi swobodnej czqsteczek gazu, to gaz ten przestaje stanowic osrodek ciqgly dla czqstek aerozolowych41. Aby zatem oddac warunki rzeczywiste rownanie (3-9) wymaga zastosowania poprawki Cunninghama (C(d)), ktorej wartosc wyznacza si? przy uzyciu nast?pujqcej zaleznosci42:
C (d )= 1 + K
1,142 + 0,558 • exp
(3-10)
Liczba Knudsena (Kn) wyst?pujqca we wzorze (3-10), reprezentuje stosunek sredniej drogi swobodnej czqsteczek powietrza (X) do promienia czqstki rozpraszanej (d/2):
39 B. Mizielinski, Systemy oddymiania budynkow. Wentylacja, WNT, Warszawa 1999
40 K.M. Butler, G.W. Mulholland, Generation and Transport of Smoke Components, w: Fire Technology, 40, 2004, s. 158
41 J. Warych: Oczyszczanie gazow: procesy i aparatura, WNT, Warszawa 1998, s. 49
42 K.M. Butler, G.W. Mulholland, Generation and Transport of Smoke Components, w: Fire Technology, 40, 2004, 158
2-X
K = -dx (3-11)
d
W przypadku aerozolu gasniczego, ruch czqsteczek wywolujqcy zmniejszenie st?zenia wskutek koagulacji i osiadania drobin na dost?pnych powierzchniach powodowany jest rowniez dwoma innymi zjwiskami tj. termoforezq oraz dyfuzjq. Termoforeza polega na przemieszczaniu si? drobin aerozolu wskutek istnienia gradientu temperatury. Ruch ten odbywa si? od strefy o temperaturze wyzszej do strefy o temperaturze nizszej43. W warunkach pozarowych, jak rowniez w procesie powstawania aerozolu gasniczego zjawisko termoforezy nabiera szczegolnego znaczenia, poniewaz w obydwu przypadkach wyst?pujq znaczqce roznice temperatur. Dla drobin aerozolu mniejszych od drogi swobodnej czqsteczek powietrza w ktorym sq rozpraszane predkosc termoforetyczna (Vt) nie zalezy od wielkosci tych drobin
i obliczana jest z nast?pujacego wzoru44:
V, =-^-f (3-12)
pg ■ 1 dx
gdzie: T - temperatura powierzchni czqstek, dT/dx - gradient temperatury, n - lepkosc dynamiczna powietrza, a pa - g?stosc powietrza. W przypadku drobin aerozolu wi?kszych od drogi swobodnej czqsteczek powietrza pr?dkosc termoforetyczna ulega wzrostowi o 3 do 10 razy, zaleznie od przewodnosci cieplnej drobin.
Czqstki gazu pozostajq w nieustannym bezladnym ruchu. Jesli drobiny aerozolu rozpraszane przez dany gaz, posiadac b?dq dostatecznie male rozmiary, wowczas zderzenia z czqsteczkami gazu stac si? mogq przyczynq ich nieuporzqdkowanego ruchu. Wzajemne zderzenia czqsteczek gazu i rozpraszanych drobin wywolujq zjawisko zwane powszechnie ruchami Browna. Dyfuzyjny ruch czqsteczek okreslany jest za pomocq wspolczynnika dyfuzji D. Na wartosc wspolczynnika wplyw ma rodzaj i temperatura gazu oraz rozmiar czqstek rozpraszanych. Wspolczynnik D obliczany jest za pomocq rownania Stokesa-Einsteina45:
D = k 1 C (3-13)
3 n-n-d
gdzie: k - stala Boltzmana, pozostale wielkosci jak w rownaniu 3-9.
Jezeli w mieszaninie dwoch gazow wystqpi roznica st?zen pomi?dzy dwoma dowolnymi punktami, to wystqpi zjawisko dyfuzji gazowej. Ruch masy gazu zachodzic
43 J. Warych, Oczyszczanie gazow: procesy i aparatura, WNT, Warszawa 1998, s. 54
44 K.M. Butler, G.W. Mulholland, Generation and Transport of Smoke Components, w: Fire Technology, 40, 2004, s. 157
45 Tamze, s. 158
b?dzie w kierunku spadku st?zenia zgodnie z prawem Ficka. W przypadku, gdy w ukladzie takim znajdzie si? aerozol, jego czqstki ulegac b?dq zderzeniom z czqsteczkami gazu, przy czym obserwowane zderzenia b?dq wyst?powac cz?sciej w kierunku przeplywu gazu dqzqcego do wyrownania gradientu st?zenia. Zjawisko przemieszczania si? czqstek aerozolowych w kierunku spadku gradientu st?zenia zwane jest dyfuzjoforezq46. W warunkach pozarowych wyst?powanie rowniez tego zjawiska b?dzie mialo miejsce, niemniej bez znaczqcego wplywu na przemieszczanie si? aerozolu.
Zjawiskiem niekorzystnym z punktu widzenia stosowania aerozoli gasniczych jest zmniejszenie jego st?zenia w przestrzeni chronionej w miar? uplywu czasu. Szacowanie wplywu poszczegolnych zjawisk na zmniejszenie st?zenia, mozliwe jest poprzez porownanie pr?dkosci przemieszczania si? czqstek aerozolu spowodowanych wyst?powaniem omowionych zjawisk. W tabeli nr 3 przedstawiono wyniki analizy porownawczej skutkow oddzialywania zjawisk: sedymentacji, dyfuzji i termoforezy, na redukcj? st?zenia aerozolu w powietrzu.
Porownanie wykonano na drodze obliczen dla czterech ukladow monodyspersyjnych
o srednicy drobin z zakresu 0,01 do 10 |im. W rozpatrywanym ukladzie przyj?to gradient temperatury rz?du 100 K/cm. Rozwazania przeprowadzono dla powierzchni 1 cm2 w czasie 100 s, przyjmujqc st?zenie aerozolu rowne 106 czqsteczek/cm3. We wszystkich przypadkach zalozono, ze czqsteczka po zetkni?ciu si? z powierzchniq (kontrolnq) juz na niej pozostaje.
Tabela 3.¥7
Wplyw zjawisk wywolujqcych rozprzestrzenianie si§ aerozolu na zmiany jego stgzenia
w zajmowanej przestrzeni
Srednica drobin, ^m Termoforeza Dyfuzj a Sedymentacja
0,01 2,8-106 2,6405 6,7402
0,1 2,0-106 2,9^104 8,6403
1,0 1,3-106 5,9403 3,5405
10,0 7,8-105 1/M03 3,M07
Wyniki analizy ukazujq, ze za wyjqtkiem przypadku dotyczacego drobin o najwi?kszej srednicy, termoforeza odgrywac b?dzie najwazniejszq rol? w obnizaniu st?zenia aerozolu. Niemniej wartosc gradientu temperatury 100 K/cm odbiega od spodziewanych warunkow rzeczywistych podcz aspozaru przez co domniemywac nalezy, ze wplyw tego mechanizmu na
46 J. Warych: Oczyszczanie gazow: procesy i aparatura, WNT, Warszawa 1998, s. 56
47 K.M. Butler, G.W. Mulholland, Generation and Transport of Smoke Components, w: Fire Technology, 40, 2004, s. 159
przemieszczanie si? drobin aerozolu gasniczego b?dzie znacznie mniejszy. Wazne informacje wynikajq natomiast z porownania charakteru zmian wywolanych dyfuzjq i sedymentaj Otoz w zakresie srednic od 1 do 10 |im to sily grawitacji b?dq decydowac o przemieszcaniu si? drobin aerozolu, podczas gdy dla srednic 0,01^0,1 |im ruch aerozolu gasniczego determinowany b?dzie glownie ruchami Browna.
Niestety istotnym ograniczeniem tych rozwazan jest fakt, ze rozpatrywano uklad statyczny, podczas gdy w warunkach rzeczywistych aerozol b?dzie przemieszczal si? ruchem burzliwym, turbulentnym wskutek m.in. wyrzucenia strumienia aerozolu z generatora pod duzym cisnieniem, przeplywu gazow pozarowych podczas pozaru w pomieszczeniu do ktorego uwalniany jest aerozol itp. Rozwazania powyzsze nie uwzgl?dniaja rowniez zjawiska aglomeracji czqstek, choc wiadomym jest ze wplywa ono na przyspieszenie procesu sedymentacji.
Sklania to do przyj?cia zalozenia, iz glownym zjawiskiem odpowiedzialnym za zachodzenie zmian w aerozolu w warunkach rzeczywistych b?dzie sedymentacja. W zwiqzku z tym na potrzeby analizy zmian st?zenia aerozolu w przestrzeni nim wypelnionej pomocna okazac si? moze informacja zawarta w tabeli nr 4. Tabela ta okresla bowiem pr?dkosc opadania
czqsteczek aerozolu w powietrzu. Autor dokonal obliczen na podstawie rownania (3-9).
Tabela 4.48
Opadanie czqsteczek aerozolu w powietrzu pod wplywem dzialania sit grawitacyjnych
Srednia masowa srednica aerodynamiczna MMAD, ^m Pr?dkosc opadania czqsteczek, cm/s Obnizenie warstwy czqsteczek danej srednicy po czasie 10 min, cm
0,1 0,000086 0,0516
0,2 0,00023 0,138
0,5 0,0010 0,6
1,0 0,0035 2,1
2,0 0,013 7,8
5,0 0,078 46,8
10 0,31 186
20 1,2 720
50 7,6 4560
W tabeli nr 4 zawarto obliczenia zwiqzane z obnizaniem si? warstwy czqsteczek
o danej dlugosci srednicy w czasie. Do obliczen przyj?to czas 10 minut, w ktorym raport techniczny Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego dotyczqcy projektowania ochrony za
48 Opr. wlasne na podstawie NFPA 2010 Standard for Fixed Aerosol Fire Extinguishing Systems, 2005 edition
pomocq urzqdzen gasniczych aerozolowych49 zaklada utrzymanie st?zenia gasniczego aerozolu. Z tabeli wynika, ze po czasie 10 min od uwolnienia aerozolu gasniczego jego czqsteczki o srednicy 1 |im obnizq si? wzgl?dem wysokosci pomieszczenia niewiele ponad
2 cm, natomiast warstwa czqsteczek o srednicy 10 |im ulegnie obnizeniu o 2 m, wywolujqc zmian? st?zenia aerozolu w przestrzeni chronionej. Fakt ten sygnalizuje jednoznacznie, jak wazne, na etapie projektowania stalych urzqdzen gasniczych aerozolowych, jest zastosowanie rozwiazan, ktore zapewniq utrzymanie st?zenia aerozolu w calej obj?tosci pomieszczenia na poziomie gwarantujqcym utrzymanie efektu gasniczego.
Poniewaz zarowno temat powstawania jak i rozprzestrzeniania si? aerozoli gasniczych powstajqcych na drodze reakcji spalania jest rozlegly i wielowqtkowy, oraz nie zostal jeszcze w pelni wyjasniony i opisany, nie jest mozliwe wyczerpujqce przedstawienie wiadomosci w tym zakresie. Niemniej powyzsze informacje mogq okazac si? pomocne w zrozumieniu podstawowych zjawisk, z ktorymi zetknq si? projektanci bqdz potencjali nabywcy
i uzytkownicy generatorow aerozoli gasniczych.
Mechanizm dzialania gasniczego
Skutkiem pracy generatorow jest dostarczenie do przestrzeni chronionej aerozolu
o okreslonym skladzie i wymaganym st?zeniu. W skladzie produktow spalania masy aerozolotworczej wyroznia si? faz? stalq, cieklq oraz gazowq. Obecnosc kazdej z faz determinuje odmienne zjawiska i procesy fizykochemiczne. Zatem calosciowy efekt oddzialywan aerozoli gasniczych jest sumq oddzialywan wynikajqcych z obecnosci poszczegolnych skladnikow, stanowiqcych produkty spalania masy aerozolotworczej.
Powszechnie wiadomo, ze skutecznosc gaszenia plomieni przy uzyciu zdyspergowanego medium gasniczego np. proszku, aerozolu lub mgly wodnej, zalezna jest od wielkosci powierzchni oddzialywania pomi?dzy medium a plomieniem. Zatem wraz ze wzrostem powierzchni oddzialywania medium gasniczego rosnie jego skutecznosc gasnicza. W celu zwi?kszenia powierzchni wzajemnych oddzialywan zwi?ksza si? najcz?sciej ilosc podawanego medium o okreslonej wielkosci ziaren, czqstek, drobin, kropel etc., bqdz zmniejsza si? powierzchni? fazy rozpraszanej przy zachowaniu stalego wydatku masowego danego medium. Wobec powyzszego duzy stopien rozproszenia oraz stosunkowo niewielka srednia wielkosc drobin fazy rozproszonej aerozoli, wplywa istotnie na ich skutecznosc
49 Technical report CEN/TR 15276-2 Fixed firefighting systems — Condensed aerosol extinguishing systems — Part 2: Design, installation and maintenance, CEN, January 2009
gasniczq. W dost?pnej literaturze przedmiotu znalezc mozna wiele danych eksperymentalnych na temat st?zenia gasniczego aerozoli. Zazwyczaj wartosci te mieszczq si? w zakresie od 30 do 60 g/m3 50. Dokonujqc porownania ze stosowanymi powszechnie innymi srodkami gasniczymi, tj. proszkami gasniczymi (st?zenie gasnicze 150 ^ 500 g/m3), halonami (halon 2402 - st?zenie gasnicze 160 ^ 340 g/m3)51, lub zamiennikami halonow (HFC 227ea -st?zenie gasnicze 465 ^ 1285 g/m3 przy temp. 20oC)52, okazuje si?, ze st?zenia gasnicze wymagane podczas stosowaniu aerozoli gasniczych sq nieporownywalnie mniejsze, przez co korzystniejsze z punktu widzenia zarowno efektywnosci jak i ekonomii stosowania. Oczywistym staje si? fakt duzego zainteresowania wokol zagadnien zwiqzanych z rozwojem technologii gaszenia przy uzyciu aerozoli. Niestety do dnia dzisiejszego temat mechanizmu dzialania gasniczego aerozoli nie zostal opisany w dost?pnej literaturze w sposob jednoznaczny i wyczerpujqcy.
By zaistnial proces spalania plomieniowego muszq zostac spelnione scisle okreslone warunki, ktore przedstawiane sq zwyczajowo w formie czworoscianu spalania. Czworoscian stanowi przestrzenny obraz zaleznosci skladowych elementow niezb?dnych do zapoczqtkowania spalania i warunkujqcych ciqglosc tej reakcji53. Elementami tymi sq:
• obecnosc paliwa (w odpowiedniej ilosci),
• obecnosc utleniacza (o odpowiednim st?zeniu),
• obecnosc zrodla ciepla (o odpowiedniej mocy lub temperaturze),
• obecnosc w plomieniu rodnikow warunkujqcych ciqglosc spalania.
Efekt gasniczy w postaci likwidacji plomienia uzyskiwany jest poprzez usuni?cie lub ograniczenie do minimum jednego z wyzej wymienionych czynnikow. Moze si? to odbywac zarowno na drodze fizycznej poprzez efekty energetyczne (chlodzenie paliwa, chlodzenie strefy spalania) bqdz przestrzenne (rozcienczanie reagentow, izolowanie paliwa od utleniacza, odlqczenie strefy reakcji) jak i na drodze chemicznej (inhibitowanie reakcji plomieniowych, wychwyt wolnych rodnikow, efekt trzeciej czqstki etc.).
50 V.V. Agafonov [et al.], The mechanism of fire suppression by condensed aerosols NIST SP 984-3, Halon Options Technical Working Conference, 15th Proceedings. HOTWC 2005, Albuquerque, NM, str. 1
51
Tamze, s. 1
52 Polska Norma PN-EN 15004-5 Stale urzqdzenia gasnicze - Urzqdzenia gasnicze gazowe - Cz?sc 5: Wlasciwosci fizyczne i system projektowania urzqdzenia gasniczego gazowego na srodek gasniczy HFC 227ea, PKN, wrzesien 2008
53 M. Pofit-Szczepanska, Wybrane zagadnienia z chemii ogolnej, fizykochemii spalania i rozwoju pozaru, SA PSP, Krakow 1994, s. 23
Sposrod elementow niezb?dnych do podtrzymywania reakcji spalania, aerozole z pewnosciq nie b?dq wplywaly na ilosc i rodzaj paliwa ulegajqcego spalaniu. Co si? zas tyczy pozostalych obszarow dzialania gasniczego wymagana jest identyfikacja mozliwych mechanizmow gasniczych wraz z okresleniem ich znaczenia i wplywu na ostateczny, zauwazalny efekt gasniczy.
Podczas stosowania aerozoli gasniczych wyroznia si? cztery podstawowe etapy ich dzialania54:
• ogrzewanie si? aerozolu,
• rozklad i/lub parowanie czqsteczek aerozolu,
• generacj a inhibitora rodnikow w fazie gazowej,
• inhibicja procesu spalania w fazie plomieniowej.
Dowiedziono rowniez, ze krytyczne znaczenie dla powodzenia procesu gaszenia przy uzyciu aerozoli ma przedzial czasowy, w ktorym dochodzi do rozkladu i parowania drobin fazy rozproszonej55.
Pierwsza faza dzialania aerozoli dotyczy absorpcji ciepla i chlodzenia plomienia przez jego czqsteczki stale. Zjawiska te spowodowane sq wyst?powaniem endotermicznych reakcji rozkladu czqstek fazy rozpraszanej aerozolu z jednoczesnym uwalnianiem dwutlenku w?gla oraz pary wodnej. Ponizej przedstawiono glowne grupy oddzialywan endotermicznych wraz z przykladem charakterystycznych w tym zakresie reakcji56:
• absorpcj a ciepla wskutek endotermicznych przemian chemicznych
2KHCO3 (cialo stale) > K2CO3 (cialo stale) + CO2 (gaz) + H2O (gaz) (4.R-12)
• absorpcj a ciepla wskutek endotermicznych zmian fazy substancji
K2CO3 (cialo stale) ^ K2CO3 (ciecz) ^ K2CO3 (gaz) (4.R-13)
54 J.W. Fleming [et al.]: Suppression effectiveness of aerosols: the effect of size and flame type, NIST Special Publication 984, Halon Options Technical Working Conference, 12th Proceedings. HOTWC 2002. Albuquerque, NM, str. 9
55 T amze, s. 9
56 J. Brooks, J. Berezovsky, M. O’Dwyer, Aerosol fire suppression for high rise structural applications via aircraft distribution using Metalstorm technologies, NIST Special Publication 984, Halon Options Technical Working Conference, 12th Proceedings. HOTWC 2002, Albuquerque, NM, s. 2-3
W wyniku powyzszych przemian dochodzi do stopniowego obnizania temperatury plomienia towarzyszqcego reakcji spalania, do poziomu, ponizej ktorego proces spalania nie moze byc dluzej podtrzymywany.
Rownoczesnie z odbiorem ciepla wyst?puje proces izolowania materialu ulegajqcego spalaniu od dost?pu tlenu poprzez obnizenie jego st?zenia, wskutek dostarczania do otoczenia dwutlenku w?gla i pary wodnej, powstajqcych na drodze wyparowania czqsteczek aerozolu gasniczego (patrz rownanie 4.R-12). W ostatniej i byc moze najbardziej znaczqcej fazie dochodzi do usuwania wolnych rodnikow z reakcji lancuchowych spalania wyst?pujqcych w plomieniu. Mozliwe jest to na skutek wyst?powania reakcji inhibicji heterofazowej na powierzchni drobin aerozolu, ktore opierajq si? na zjawiskach rekombinacji wolnych rodnikow wyst?pujqcych w plomieniu, oraz reakcji inhibicji homofazowej determinowanych obecnosciq metali alkalicznych57.
Zarowno odbieranie ciepla jak i inhibicja heterofazowa, o ktorych mowa powyzej, sq procesami powierzchniowymi. Jednoczesnie jak juz zaznaczono w rozdziale dotyczqcym ukladow koloidalnych aerozole charakteryzujq si? silnym rozwini?ciem powierzchni drobin, co wplywa na zwi?kszenie oddzialywania mi?dzy medium gasniczym, a plomieniem. Taka wlasciwosc aerozolu gasniczego wplywa bezsprzecznie na przyspieszanie przebiegu procesu gaszenia. Wobec tego aerozole, ktorych srednia wielkosc czqsteczek fazy rozproszonej jest znacznie mniejsza od srednicy ziaren proszkow gasniczych, rozwijajq dla takiego samego st?zenia gasniczego proszku i aerozolu znacznie wi?kszq powierzchni? oddzialywan medium gasnicze - plomien, przez co charakteryzujq si? wi?kszq anizeli proszki gasnicze, skutecznosciq gasniczq w zakresie odbioru ciepla jak i inhibicji heterofazowej.
Aerozole gasnicze posiadajq rownoczesnie kilka cech, ktore wyrozniajq je sposrod pozostalych znanych srodkow stosowanych do gaszenia pozarow. Przede wszystkim istotnq rol? odgrywa jakosc powierzchni drobin tworzqcych faz? rozproszonq. Poniewaz do wytwarzania aerozolu dochodzi w tym samym czasie co do rozwoju pozaru, w takim razie powierzchnia drobin odznacza si? swego rodzaju „swiezosciq”, ktora w efekcie wplywac b?dzie korzystnie na efektywnosc reakcji rekombinacji powierzchniowej58. Co wi?cej, bazujqc na danych zawartych w tabeli 2, z latwosciq zauwazyc mozna, ze faza gazowa aerozoli stanowi od 40 do 70% masy srodka aerozolotworczego, a wspolczynnik okreslajqcy zawartosc tlenu w mieszaninie paliwo-utleniacz w wi?kszosci srodkow aerozolotworczych
57 A. Mizerski, M. Sobolewski Srodki gasnicze, SGSP, Warszawa 1997, s. 189-190
58 V.V. Agafonov [et al.], The mechanism of fire suppression by condensed aerosols NIST SP 984-3, Halon Options Technical Working Conference, 15th Proceedings. HOTWC 2005, Albuquerque, NM, s. 1
jest mniejszy od jednosci. Wynika stqd, ze po pierwsze rola rozcienczania powinna miec duzo wi?ksze znaczenie, anizeli w przypadku stosowania proszkow gasniczych. Po drugie aerozole tworzone z mieszanin ubogich w tlen b?dq posiadaly zdolnosc do obnizania redukowania jego st?zenia w przestrzeni chronionej przez generator, ze wzgl?du na zachodzenie procesow dalszego utleniania produktow niecalkowitego spalania srodka aerozolotworczego, po ich emisji na zewnqtrz urzqdzenia.
Oszacowanie znaczenia przedstawionych mechanizmow gasniczych mozna dokonac m.in. poprzez analiz? wplywu procesu formowania si? aerozolu gasniczego na zmiany (obnizanie) st?zenie tlenu w przestrzeni chronionej, rodzaju procesow inhibicji reakcji spalania wywolujqcych rekombinacj? wolnych rodnikow, oraz roli absorpcji ciepla w procesie gaszenia aerozolami gasniczymi.
Dost?pne wyniki prac59, obejmujqce zarowno badania eksperymentalne w specjalnie skonstruowanych do tego celu stanowiskach badawczych bqdz przy uzyciu metody elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR), jak rowniez na drodze rozwazan
i obliczen teoretycznych, wykonane dla wybranych mieszanin aerozolotworczych wymienionych w tabeli 2, wskazujq, ze:
• utlenianie produktow niepelnego spalania, jak rowniez rozcienczanie tlenu przez gazowq faz? powstajqcego aerozolu, wywolywac moze znaczqce obnizenie st?zenia tlenu (w niektorych przypadkach nawet do 20% wzgl?dem jego wartosci poczqtkowej),
• aerozole zawierajqce w swej budowie tlenki, wodorotlenki i chlorki majq pokazniejszy wplyw na efektywnosc gasniczq plomieni, anizeli te formowane z siarczanow oraz w?glanow tych samych metali alkalicznych,
• wodorotlenki, tlenki i w?glany metali alkalicznych wykazujq wi?kszq efektywnosc w procesie rekombinacji rodnikow wodorowych i wodorotlenowych, podczas gdy chlorki tych metali w sposob wydajniejszy obnizajq st?zenie rodnikow tlenowych,
• obnizenie st?zenia aerozoli gasniczych o 20 do 30% wzgl?dem wartosci ich st?zenia gasniczego powoduje osiqgni?cie najbardziej efektywnych rezultatow w zakresie rekombinacji wolnych rodnikow w plomieniu,
59 V.V. Agafonov [et al.], The mechanism of fire suppression by condensed aerosols NIST SP 984-3, Halon Options Technical Working Conference, 15th Proceedings. HOTWC 2005, Albuquerque, NM, s. 3-10
• czqsteczki aerozolu o srednicy mniejszej niz 2 |im obnizajq st?zenie rodnikow wodorowych glownie na drodze inhibicji homofazowej, a czqsteczki o srednicy powyzej 5 |im determinujq wyst?powanie inhibicji heterofazowej. Co zas si? tyczy czqsteczek z zakresu od 2 do 5 |im, obydwa mechanizmy inhibicji prowadzq w sposob rownomierny do rekombinacji rodnikow wodorowych
• absorpcja ciepla nie jest zjawiskiem znaczqcym przy niskich st?zeniach aerozolu tj. przy st?zeniach dochodzqcych do 50% wartosci st?zenia gasniczego aerozoli. W tym wypadku temperatura plomienia ulega obnizeniu o 10 do 15% wzgl?dem jej wartosci poczqtkowej. Niemniej juz przy st?zeniach aerozolu wyzszych niz 50 g/m3 zjawisko odbioru ciepla nabiera istotnego znaczenia, gdyz efekt ten ma w 50 do 80% wplyw na likwidacj? plomienia.
Podsumowanie i wnioski koncowe
Generatory aerozolu gasniczego to urzqdzenia sluzqce do gaszenia pozarow. W porownaniu z innymi urzqdzeniami tego typu, jest to rozwiqzanie nowatorskie, gdyz na rynku ochrony przeciwpozarowej obecne jest dopiero od poczqtku lat dziewi?cdziesiqtych zeszlego stulecia. W zwiqzku z tym podlega ono kolejnym udoskonaleniom, w celu uzyskania maksymalnych korzysci zwiqzanych z efektywnosciq i bezpieczenstwem stosowania. Zarowno niewielkie rozmiary, prosta budowa oraz niewielki naklad sil niezb?dny do montazu
i konserwacji generatorow aerozolu gasniczego poszerzajq w sposob znaczqcy zakres mozliwych zastosowan tych urzqdzen, wzbudzajqc tym samym coraz wi?ksze zainteresowanie na rynku czynnych zabezpieczen przeciwpozarowych. W swietle powyzszego, generatory aerozolu gasniczego stanowiq uzupelnienie oferty rynkowej urzqdzen gasniczych, wpisujqc si? w luk? wyst?pujqcq pomi?dzy stalymi urzqdzeniami gasniczymi wodnymi, gazowymi i proszkowymi, a podr?cznym sprz?tem gasniczym, w tym szczegolnie gasnicami proszkowymi.
Podj?ta proba zdefiniowania aerozolu gasniczego, na podstawie dost?pnych informacji na temat ukladow dyspersyjnych, doprowadzila do sformulowanie ogolnej definicji, informujqcej, iz jest to mieszanina gazowych, cieklych i stalych produktow spalania specjalnego materialu aerozolotworczego, stosowanego w generatorach aerozolu gasniczego. Taki zapis nie odnosi si? do wielkosci czqstek fazy rozpraszanej, bowiem z przedstawionych w artykule informacji wynika brak mozliwosci jednoznacznego wyroznienia ukladu koloidalnego, jaki stanowiq aerozole wedlug przedmiotowego kryterium. Jednoczesnie
zdaniem autora przedstawiona definicja uwzgl?dnia specyficzne wlasciwosci aerozolu, zwiqzane z wyst?powaniem efektu gasniczego, poprzez wskazanie urzqdzenia, w ktorym aerozole sq generowane.
W przypadku generatorow aerozolu gasniczego opisywanych w niniejszym artykule sposob wytwarzania aerozolu dotyczy zainicjonowania i podtrzymania reakcji spalania mieszaniny odpowiednio dobranych materialow stalych, zamkni?tych w metalowej obudowie urzqdzenia. Zaprezentowany w artykule schemat budowy generatorow aerozolu gasniczego odzwierciedla ide? obecnie najcz?sciej spotykanych konstrukcji tych urzqdzen. Wsrod przewidywanych kierunkow rozwoju i zmian w budowie urzqdzen z pewnosciq wymienic mozna prace nad ciqglym doskonaleniem skladu chemicznego mieszaniny, z ktorej wytwarzany jest aerozol, celem uzyskiwania optymalnych efektow dzialania gasniczego. Co wi?cej dzialanie gasnicze aerozoli musi uwzgl?dniac pierwszy krytyczny krok, jakim jest dotarcie aerozolu do strefy spalania. Z tego punktu widzenia nalezy przewidywac prowadzenia prac nad sposobami doskonalenia dystrybucji strumieni aerozolu gasniczego na zewnqtrz urzqdzen. Mozna rowniez przypuszczac, ze wysilek producentow generatorow aerozolu skoncentrowany zostanie rowniez na poszukiwaniu takiego skladu chemicznego substancji odpowiedzialnej za chlodzenie powstajqcego aerozolu, ktora oprocz podstawowych wlasciwosci dotyczqcych obnizania temperatury strumienia uwalnianego aerozolu, posiadac b?dzie mozliwosc redukcji st?zenia substancji toksycznych wydzielanych podczas spalania stalej mieszaniny aerozolotworczej, a przy tym wciqz zapewni kompozycji wymaganq wytrzymalosc mechanicznq i odpornosc na wysokq temperatur? pracy urzqdzenia.
Bez wqtpienia cechq wyrozniajqcq aerozoli gasniczych, niezaleznie od sposobu ich generowania, jest ich zdolnosc do unoszenia si? w przestrzeni chronionej. W przypadku generatorow aerozolu gasniczego jest to jedna z podstawowych roznic wzgl?dem urzqdzen gasniczych wykorzystujqcych do gaszenia proszek gasniczy, takich jak stale urzqdzenia gasnicze lub gasnice proszkowe. Utrzymywanie si? aerozolu w powietrzu determinuje obszar, zakres i sposob stosowania aerozoli gasniczych oraz ich generatorow w ochronie przeciwpozarowej. Informacje zaprezentowane w niniejszym artykule sluzq upowszechnieniu informacji na temat dost?pnych sposobow i metod opisu oraz przewidywania (szacowania) przebiegu procesow powstawania i rozprzestrzeniania si? aerozoli gasniczych. Przedstawiona w artykule zaleznosc szybkosci spalania stalych paliw rakietowych moze byc punktem wyjscia do podj?cia prac badawczych dotyczqcych wyznaczenia zaleznosci szybkosci spalania substancji aerozolotworczych umiejscawianych w generatorach aerozolu gasniczego, w celu umozliwienia przewidywania czasu dzialania generatorow zaleznie od rodzaju
wykorzystywanego w nich materialu aerozolotworczego. Opis zjawisk takich jak: dyfuzja, termoforeza i sedymentacja, warunkujqcych rozprzestrzenianie si? aerozolu sygnalizujq jednoznacznie, jak wazne, na etapie projektowania stalych urzqdzen gasniczych aerozolowych, jest zastosowanie rozwiazan, ktore zapewniq utrzymanie st?zenia aerozolu w calej obj?tosci pomieszczenia na poziomie uniemozliwiajqcym nawrot palenia.
Przedstawione w ostatniej cz?sci artykulu informacje na temat mechanizmu dzialania gasniczego, w tym rowniez wyniki wybranych prac badawczych prowadzonych na swiecie, ktorych celem jest wyjasnienia szczegolow tego mechanizmu, sluzq upowszechnieniu tego typu informacji szerszemu gronu czytelnikow w Polsce. Z przedstawionych informacji wynika bowiem istnienie szeregu zaleznosci wyst?pujqcych pomi?dzy warunkami procesu spalania, a wlasciwosciami fizyko-chemicznymi aerozoli gasniczych. Tlumaczy to wyst?powanie intrygujqcych rezultatow dost?pnych obecnie wynikow badan, jak chocby: wplywu skladu chemicznego aerozoli na efektywnosc gasniczq plomieni, oraz zaleznosci skladu chemicznego i wielkosci czqstek aerozolu na redukowanie poszczegolnych grup rodnikow wyst?pujqcych w plomieniu. Co wi?cej, stwierdzenie znaczqcego odbioru ciepla od pozaru podczas ogrzewania i parowania czqsteczek aerozolu, jak rowniez obnizania st?zenia tlenu przez gazy wydzielajqce si? podczas spalania stalej mieszaniny aerozolotworczej w generatorach, rzucajq nowe swiatlo na dotychczasowe rozwazania dotyczqce wylqcznie antykatalitycznego oddzialywania aerozoli gasniczych na srodowisko pozaru.
Warto w tym miejscu zauwazyc, ze powyzsze informacje nie stanowiq stwierdzenia faktu, gdyz dost?pne wyniki prac dotyczq wybranych mieszanin aerozolotworczych. Celowe w tym wypadku byloby podj?cie proby potwierdzenia zidentyfikowanych zaleznosci na drodze kolejnych prac badawczych, np. w celu porownania z rezultatami badan dla aerozoli powstalych z innych, dost?pnych na rynku mieszanin aerozolotworczych, jak rowniez na potrzeby weryfikacji stopnia udzialu mechanizmow dzialania gasniczego dotyczqcych odbioru ciepla oraz obnizania st?zenia tlenu podczas zastosowania generatorow aerozolu gasniczego wzgl?dem pozarow w pelnej skali.
Literatura
1. Protokol montrealski w sprawie substancji zubozajqcych warstw? ozonowq (Dz. U. z 1992, Nr 98, poz. 490)
2. Rozporzqdzenie (WE) NR 2037/2000 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 czerwca 2000 r. w sprawie substancji zubozajqcych warstw? ozonowq (Dz. Urz. WE Nr L 244 z dnia 29.09.2000 r.)
3. De Parenti G.G.: Aerosol overview, w: Fire Safety Engineering, July/August 2009, s. 25
4. Technical report CEN/TR 15276-1 Fixed firefighting systems - Condensed aerosol extinguishing systems - Part 1: Requirements and test methods for components, CEN, January 2009
5. Zbrozek P., Generatory aerozoli gasniczych wytwarzanych pirotechnicznie, w: Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza, nr 02/03/04 2006, CNBOP, Jozefow 2006, s. 227-237
6. AS/NZS 4487 Pyrogen fire extinguishing systems, Australian/New Zealand Standard, 1997
7. NFPA 2010 Standard for Fixed Aerosol Fire Extinguishing Systems, NFPA, 2005 edition
8. Atkins P.W., Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa 2002
9. Czarnecki L., Broniewski T., Henning O., Chemia w budownictwie, Wyd. Arkady, Warszawa 1995
10. Warych J.: Oczyszczanie gazow: procesy i aparatura, WNT, Warszawa 1998
11. Kopylov N.P., [et al.]: Toxic hazard associated with fire extinguishing aerosols: the current state of the art and a method for assessment, Halon Option Technical Working Conference, HOTWC 2001, str. 332-336
12. Technical report No. NAWCADPAX/TR-2004/123 Risk assessment for acute exposure to pyrogen: a pyrotechnically-generated fire extinguishing aerosol, NAWC, Maryland,
11 January 2005
13. Ostrowski T., Wybuchy pylow w przemysle, Instytut Wydawniczy CRZZ, Warszawa 1980
14. IMO MSC/Circ. 1007 Guidelines for the approval of fixed aerosol fire-extinguishing systems equivalent to fixed gas fire-extinguishing systems, as referred to in SOLAS 74, for machinery spaces, IMO, 26 June 2001
15. Mizerski A., Sobolewski M., Srodkigasnicze, SGSP, Warszawa 1997
16. Krol B., Aerozole gasnicze, w: Przeglqd pozarniczy, nr 6/2000, KG PSP, Warszawa 2000, str. 23,
17. Kopylov N.S. [et al.], The modification of the characteristics of the condensed fire extinguishing aerosol during its distribution through the pipelines, NIST Special Publication 984-2 Halon Options Technical Working Conference, 14th. Proceedings. HOTWC 2004, Albuquerque (NM), ,str. 1-14
18. Kangedal P., Hertzberg T., Arvidson M., Pyrotekniskt genererade aerosoler for brandslackining - en litteraturstudie, SP RAPPORT 2001:28, SP Sveriges Provnings-och Forskningsinstitut, Szwecja 2001
19. Agafonov V.V. [et al.], The mechanism of fire suppression by condensed aerosols NIST SP 984-3, Halon Options Technical Working Conference, 15th Proceedings. HOTWC 2005, Albuquerque, NM, str. 1-10
20. Tapscott R.E., Mather J.D., Thermodynamics of metal agent fire extinguishment, NIST Special Publication 984, Halon Options Technical Working Conference, 12th Proceedings HOTWC 2002, April 30-May 2, 2002, Albuquerque, NM, str. 1-7, 2002
21. Rusin D.L., Denisyuk A.P., Composition for cooling and simultaneous filtration of the gas-aerosol fire-extinguishing mixture., w: World Intelectual Property Organization. Opis patentowy. WO 2005/023370 A2. Opubl. 17.03.2005
22. Bandyopadhyaya R., Lall A.A., Friedlander S.K., Aerosol Dynamics and the synthesis of fine solid particles, w: Powder Technology, nr 139, str. 193-199, 2004
23. Slownik chemii praktycznej, Wyd. Wiedza Powszechna, Warszawa 1992
24. Prz?zak Z., Silniki rakietowe na paliwo stale, w: Przeglqd Wojsk Lotniczych
i Wojskowej Ochrony Powietrznej Kraju, 1984, Nr 6
25. Mizielinski B., Systemy oddymiania budynkow. Wentylacja, WNT, Warszawa 1999
26. Butler K.M., Mulholland G.W., Generation and Transport of Smoke Components, w: Fire Technology, 40, 149-176, 2004
27. Technical report CEN/TR 15276-2 Fixed firefighting systems - Condensed aerosol extinguishing systems - Part 2: Design, installation and maintenance, CEN, January 2009
28. Polska Norma PN-EN 15004-5 Stale urzqdzenia gasnicze - Urzqdzenia gasnicze gazowe - Cz?sc 5: Wlasciwosci fizyczne i system projektowania urzqdzenia gasniczego gazowego na srodek gasniczy HFC 227ea, PKN, wrzesien 2008
29. Pofit-Szczepanska M., Wybrane zagadnienia z chemii ogolnej, fizykochemii spalania
i rozwojupozaru, SA PSP, Krakow 1994
30. Fleming J.W. [et al.], Suppression effectiveness of aerosols: the effect of size and flame type, NIST Special Publication 984, Halon Options Technical Working Conference, 12th Proceedings. HOTWC 2002. Albuquerque, NM, str. 1-12
31. Brooks J., Berezovsky J., O’Dwyer M., Aerosol fire suppression for high rise structural applications via aircraft distribution using Metalstorm technologies, NIST Special Publication 984, Halon Options Technical Working Conference, 12th Proceedings. HOTWC 2002, Albuquerque, NM, str. 1-8
