CC BY
21УДК 614.842.615+614.843.8 DOI 10.25257ДЕ.2017.3.44-48
Федяев В. Д.
ГИДРОДИНАМИКА КОМПРЕССИОННОЙ ПЕНЫ ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ
В статье изложены результаты исследования гидравлических характеристик насосно-рукавных систем пожарных автомобилей при использовании в качестве огнетушащего вещества компрессионной пены. Разработан программный комплекс, позволяющий пожарным подразделениям на этапе предварительного планирования оценить возможности по тушению пожаров на объектах энергетики.
Ключевые слова: двухфазные потоки, насосно-рукавные системы, гидродинамика, объекты энергетики, компрессионная пена.
Наиболее важными для экономики страны являются объекты энергетики. От нормального функционирования этих объектов напрямую зависит устойчивое развитие государства и общества в целом. Обеспечение пожарной безопасности является одной из основных задач государственной политики.
Опасностью при тушении пожаров на объектах энергетики является электрооборудование, находящееся под напряжением. Так, на объектах атомной энергетики имеется около 30 % помещений, в которых невозможно производить обесточи-вание электрооборудования под напряжением [1]. Поэтому тушение необходимо производить под напряжением, что может сказаться на безопасности личного состава, участвующего в тушении пожара. Основным огнетушащим веществом, применяемым при тушении пожара, является вода. Её применение возможно при соблюдении безопасного расстояния от ствола до электрооборудования под напряжением.
Безопасное расстояние - расстояние,
при котором ток утечки по струе не превышает 0,5 мА.
При возникновении пожаров на объектах энергетики основную горючую нагрузку составляют горючие жидкости и полимерные материалы, входящие в состав энергетического оборудования.
С учётом этой особенности применение в качестве огнетушащего вещества воды не всегда будет эффективно, а применение поверхностно-активных веществ (используются для повышения смачивающей способности воды) и пенообразователей запрещено, так как наличие солевых примесей в воде повышает её электропроводность, и это может привести к травмированию и гибели личного состава, участвующего в тушении пожара.
Развитие современных способов пожаротушения позволило создать новую технологию получения пены - компрессионной, которая получается при помощи принудительного вспенивания раствора пенообразователя сжатым воздухом под давлением.
Наряду со способом получения, компрессионная пена также имеет ряд отличий от традиционной воздушно-механической пены:
- высокая дальность подачи (до 25 м при давлении 7 атм.);
- низкий расход огнетушащего вещества 1,5-2 л/с;
- отсутствие жидкой фазы (весь раствор переходит в пену);
- полученная пена имеет равномерное структурированное строение с равным размером пузырьков (1,5-2 мм), стенка пузырьков более толстая, что увеличивает время их жизни (рис. 1);
- высокая адгезионная способность пены, обусловленная низким содержанием воды;
- возможность подач на высоту до 200 м в вертикальной прокладке.
Проводились исследования в области тушения пожаров электрооборудования, в ходе которых были определены параметры подачи компрессионной пены при тушении пожаров электрооборудования под напряжением [2]. Были получены параметры расстояния до электрооборудования, напряжения на электроустановке и кратности компрессионной пены, при которых возможно её применение при тушении пожаров электрооборудования под напряжением. А также определены математические зависимости для оценки безопасного расстояния при тушении пожаров электрооборудования под напряжением с применением в качестве огнетушащего вещества компрессионной пены.
При ликвидации пожаров на объектах энергетики успех тушения пожаров во многом
Рисунок 1. Структура пены, полученной разными способами: а - компрессионная пена; б - традиционная пена
определяется быстротой и слаженностью работы пожарных подразделений, участвующих в тушении пожаров. Важно не только произвести прокладку рукавных линий, но и обеспечить подачу необходимого количества огнетушащего вещества для тушения пожаров.
В насосно-рукавных системах пожарных автомобилей при подаче огнетушащих веществ по пожарным рукавам возникает сопротивление потоку жидкости и, соответственно, снижение напорно-расходных характеристик насосно-рукавной системы. Сопротивление прорезиненных рукавов, применяемых во время пожара с использованием воды в качестве огнетушащего вещества, в большинстве своем одинаковы и имеют значения, приведённые в таблице 1 (условный диаметр прохода рукавов 50, 65, 80 мм [3, 4]).
Однако для пожарных напорных рукавов, в которых в качестве огнетушащего вещества используется компрессионная пена, параметры гидравлических сопротивлений ранее не были получены. Следовательно, вопрос о проведении исследований по оценке гидравлических характеристик насосно-рукавных систем при подаче по ним компрессионной пены является актуальным.
Таблица 1
Значения гидравлических сопротивлений пожарных напорных рукавов при подаче по ним воды
Проведённые исследования позволили оценить гидравлические характеристики насосно-рукавных систем при движении по ним компрессионной пены. Исследования проводились при использовании специализированного стенда, разработанного в Академии ГПС МЧС России. Он позволяет с высокой степенью точности оценить гидравлические параметры насосно-рукавных систем при подаче компрессионной пены по рукавам (условный диаметр прохода 50, 65 мм).
При проведении эксперимента оценивались следующие параметры (рис. 2-4):
- длина рукавной линии;
- давление на входе в рукавную систему;
- давление на выходе из ствола;
- расход полученной компрессионной пены;
- расход воды;
- расход пенообразователя;
- температура компрессионной пены;
- объёмные характеристики компрессионной пены.
По результатам проведённых экспериментальных исследований были получены данные по потере давления, температуры, объёмно-расходных характеристик в напорных пожарных рукавах для всех значений кратности компрессионной пены при движении по рукавам с условным диаметром прохода 50 и 65 мм.
Компрессионную пену, протекающую по пожарным рукавам, нужно оценивать не как одномерную жидкость, а как двухфазную.
Тип рукава Значение гидравлического сопротивления одного рукава длиной 20 м Условный диаметр, мм
ЭЫ 50 ЭЫ 65 ЭЫ 80
С армирующим каркасом из синтетических волокон с внутренним гидроизоляционным покрытием 0,13 0,034 0,015
С армирующим каркасом из натуральных волокон без внутреннего гидроизоляционного покрытия 0,24 0,077 0,03
Двухфазная жидкость - жидкость, в состав которой входит КАК ЖИДКАЯ, так И ГАЗООБРАЗНАЯ ФАЗЫ [5, 6].
Расчёт гидравлических параметров насосно-рукавных систем при подаче компрессионной пены как двухфазного потока в зависимости от показателя кратности проводится по разным методикам, так как при изменении параметра кратности
Рисунок 2. Схема подачи для оценки гидравлических характеристик насосно-рукавных систем при подаче по ним компрессионной пены: 1 - установка CAFS; 2 - рукав; 3 - регистратор многоканальный технологический; 4 - разъём; 5 - расходомер; 6 - соединительный кабель; 7 - вставка; 8 - датчик избыточного давления; 9 - датчик температуры; 10 - исследуемый рукав; 11 - датчик разности давлений; 12 - импульсная трубка; 13 - ствол; CAFS - compressed air foam systems (компрессионная пена)
будут меняться расходные характеристики раствора пенообразователя и будут изменяться относительные объёмные показатели двухфазной смеси. При движении пены по рукавам возможен переход из пенного течения в снарядное течение, т. е. будет происходить образование воздушной пробки и сбой в подаче компрессионной пены, поэтому необходимо проведение гидравлических расчётов по различным моделям. Но существует усреднённая методика, позволяющая с достаточной точностью определить гидравлические параметры подачи компрессионной пены в зависимости от показателей кратности [7, 8]. Основной формулой для определения потерь напора компрессионной пены является следующее математическое выражение:
АРсм = АР»
1+20
ДрВ1
Ар»
2 + Арв,
Ар»
где Лрж - потери давления жидкой фазы; Лрвозд -потери давления воздушной фазы.
По полученным в ходе эксперимента данным была проведена оценка потерь напора при движении компрессионной пены по рукавам с условным диаметром прохода 50 и 65 мм, а также было проведено сравнение результатов расчётов с экспериментальными данными (рис. 5—6).
По результатам проведённых исследований различие экспериментальных и расчётных данных не превышало 15 %. Следовательно, можно утверждать, что предложенная усреднённая модель оценки гидравлических характеристик насосно-рукавных систем с двухфазной смесью, в качестве которой выступает компрессионная пена, адекватна, и её применение возможно для проведения быстрых расчётных оценок потерь давления в пожарных рукавах.
Рисунок 3. Вставка для определения давления на входе и выходе исследуемого рукава
Рисунок 4. Датчик перепада давления в рукаве
0,018 п
™ 0,016-
о" 0,014 -ш
I 0,012-
а.
ш 0,01-сс
| 0,008-<
™ 0,006 -<
§ 0,004-i= 0,0020
4 6 8 10 12 14 16 Кратность компрессионной пены
18 20
Рисунок 5. Сравнение экспериментальных и расчётных данных по потере давления для рукава с условным диаметром прохода 50 мм:
ф— расчётные данные; ■ экспериментальные данные
0,012
0,01
к0,008
0,006
S 0,004
о 0,002
4 6 8 10 12 14 16 Кратность компрессионной пены
Рисунок 6. Сравнение экспериментальных и расчётных данных по потере давления для рукава с условным диаметром прохода 65 мм:
ф— расчётные данные; ■ экспериментальные данные
20
2
В результате проведённых исследований были определены показатели сопротивления напорных пожарных рукавов для различных показателей кратности компрессионной пены, а также было выявлено, что показатель сопротивления пожарных напорных рукавов с применением в качестве огнетушащего вещества компрессионной пены зависит от кратности подаваемой пены. Стоит отметить, что с повышением кратности пены сопротивление рукава повышается.
Для оценки гидравлических характеристик насосно-рукавных систем с применением компрессионной пены на этапе предварительного планирования для повышения эффективности работы пожарных подразделений был разработан программный комплекс по определению параметров подачи огнетушащих веществ для тушения пожаров на объектах энергетики (рис. 7).
Применение разработанного программного комплекса позволит на этапе предварительного планирования сил и средств оценить возможности
Рисунок 7. Программный комплекс по определению параметров подачи огнетушащих веществ для тушения пожаров на объектах энергетики
пожарных подразделений по тушению пожаров на объектах энергетики (в том числе и пожаров в электроустановках и на электрооборудовании под напряжением) с применением специализированного оборудования для тушения компрессионной пеной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алешков М. В., Федяев В. Д., Емельянов Р. А, Колбас-ин А. А. Обзор применения технологии подачи компрессионной пены при тушении пожаров электрооборудования под напряжением [Электронный ресурс] // Технологии техно-сферной безопасности. - 2015. - № 4 (62). - Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2015-4/2015-4.html (Дата обращения 05.07.2017 г.))
2. Алешков М.В., Федяев В. Д., Емельянов Р. А., Колба-син А. А. Условия применения современных технологий пожаротушения для ликвидации пожаров электрооборудования под напряжением // Пожаровзрывобезопасность. - 2016. -Т. 25, № 6. - С. 12-18. 001: 10.18322/РУБ.2016.25.06.12-18.
3. Теребнёв В. В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений. -М.: Пожкнига, 2004. - 256 с.
4. Иванников В. М., Клюс П. П. Справочник руководителя тушения пожара. - М.: Строиздат, 1987. - 288 с.
5. Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P. OConnell. The properties of gases and liquids. 5th edition. McGraw-Hill Book Company. New York, 2001, 768 p.
6. Нигматулин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. - М.: Наука, 1982. - 336 с.
7. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. - М.: Недра, 1982. - 222 с.
8. Альтшуль А. Д., Киселёв П. Г. Гидравлика и аэродинамика. Основы механики жидкости. Учебное пособие для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1975. - 328 с.
Материал поступил в редакцию 21 июня 2017 года.
Fedyaev V.
HYDRODYNAMICS OF COMPRESSION FOAM AT EXTINGUISHING FIRES AT POWER ENGINEERING FACILITIES
ABSTRACT
Purpose. The result of fire extinguishment depends not only on the efficiency and coordination of work of fire units at a fire, but also on the possibility of providing the necessary amount of extinguishing agents to extinguish fires. Sometimes you have to extinguish fires of live electrical equipment at power engineering facilities. In this case water or compression foam can be used as an extinguishing agent. The paper presents the results of studying evaluation of hydrodynamic parameters of delivering compression foam as a two-phase fluid in pump-hose systems at extinguishing fires at power engineering facilities.
Methods. To conduct the research a stand was used to determine hydraulic parameters of compression foam, developed by the staff of State Fire Academy of EMERCOM of Russia.
Findings. As a result of the studies pressure loss values were obtained during compression foam
flowing through fire pressure hoses with a conventional pass diameter of 50 and 65 mm, and also fire hose resistance was obtained using compression foam when extinguishing fires.
Research application field. The received results and further research have practical importance for increasing an overall performance of fire units at extinguishing fires at power engineering facilities.
Conclusions. The conducted research made it possible to develop a software complex with the help of which it is possible to assess the capabilities of fire departments for extinguishing fires at power engineering facilities at a pre-planning stage.
Key words: two-phase flows, pump-hose systems, hydrodynamics, power engineering facilities, compression foam.
REFERENCES
1. Aleshkov M.V., Emelyanov R.A., Kolbasin A.A., Fedyaev V.D. Review of application of technology of supply of compression foam during extinguishing fires electric equipment under voltage. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2015, no. 4 (62), available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2015-4/ 2015-4.html (accessed July 5, 2017). (in Russ.).
2. Aleshkov M.V., Emelyanov R.A., Kolbasin A.A., Fedyaev V.D. Conditions for the application of modern fire-fighting technologies for the elimination of fires of electrical equipment under voltage. Pozharovzryvobezopasnost', 2016, vol. 25, no. 6, pp. 12-18. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.06.12-18. (in Russ.).
3. Terebnev V.V. Spravochnik rukovoditelia tusheniia pozhara. Takticheskie vozmozhnosti pozharnykh podrazdelenii [Directory of the head of extinguishing the fire. Tactical capabilities of fire departments]. Moscow, Pozhkniga Publ., 2004. 256 p.
4. Ivannikov V.M., Klius P.P. Spravochnik rukovoditelia tusheniia pozhara [Reference book of the head of extinguishing a fire]. Moscow, Stroizdat Publ., 1987. 288 p.
5. Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P. O'Connell. The properties of gases and liquids, 5th edition. McGraw-Hill Book Company Publ., New York, 2001. 768 p.
6. Nigmatulin R.I. Osnovy mekhaniki geterogennykh sred [Fundamentals of mechanics of heterogeneous media]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 336 p.
7. Altshul A.D. Gidravlicheskie soprotivleniia [Hydraulic resistance]. Moscow, Nedra Publ., 1982. 222 p.
8. Altshul A.D., Kiselev P.G. Gidravlika i aerodinamika. Osnovy mekhaniki zhidkosti [Hydraulics and aerodynamics. Fundamentals of fluid mechanics]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1975. 328 p.
Vladislav Fedyaev State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
