CC BY
41
st. kpt. mgr inz. Pawe! ZBROZEK bryg. mgr inz. Jerzy PRASULA
Zespol Laboratoriow Technicznego Wyposazenia Strazy Pozarnej i Technicznych Zabezpieczen Przeciwpozarowych CNBOP
Konsultacja:
st. kpt. mgr inz. Daniel MALOZI^C
Zespol Laboratoriow Badan Chemicznych i Pozarowych CNBOP
WPLYW WIELKOSCI SREDNIC KROPLI MGLY WODNEJ NA EFEKTYWNOSC TLUMIENIA POZAROW
I CHLODZENIE
INFLUENCE OF WATER MIST DROP SIZE ON EFFICIENCY OF FIRE SUPPRESSION AND COOLING
Streszczenie
W artykule przedstawiono ogolne informacje dotycz^ce wlasciwosci i parametrow mgly wodnej istotne z uwagi na zastosowania gasnicze. Wyjasniono mechanizmy gasnicze mgly wodnej i czynniki sprzyjaj^ce efektywnosci gasniczej. Poddano analizie wplyw wielkosci srednic kropel w mgle wodnej z uwagi na tlumienie pozarow i chlodzenie gazow w gaszonej przestrzeni. Podano optymalne wartosci srednic kropel w mgle wodnej w odniesieniu do celow gasniczych, w szczegolnosci w obiektach zabytko^ch.
Summary
This article describes general information concerning characteristics and parameters of water mist important for extinguishing applies. Extinguishing mechanisms and factors favourable for the efficiency of extinguishing process were explained. Influence of water mist drop size on the efficiency of fire suppression and cooling of gases in extinguishing space was analyzed. Optimal values of water mist drop diameters in relation to extinguishing purposes were given, particularly in heritage buildings.
Wstgp
W Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej w Józefowie realizowany jest projekt rozwojowy finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyzszego pt. Badania nad opracowaniem dwufunkcyjnego urzqdzenia gasniczego mglowego zapobiegajqcego wystqpieniu zjawiska rozgorzenia w obiektach zabytkowych i przyczyniajqcego sig do podniesienia bezpieczeñstwa - temat nr 4185/BC/BS/MNiSW/2008 (O R00 0040 04). Celem prowadzonych prac jest opracowanie urz^dzenia gasniczego mglowego, które spelniloby dwie funkcje: urz^dzenia gasniczego dzialaj^cego automatycznie oraz funkcje typowej gasnicy. Zmierza si? do opracowania takiego urz^dzenia gasniczego, które przy dose wysokiej niezawodnosci i skutecznosci byloby równiez stosunkowo tanie w produkcji, montazu i eksploatacji. Uzasadnieniem takiego podejscia jest fakt, ze obiekty dziedzictwa kulturowego w Polsce, w tym szczególnie drewniane zabytkowe koscioly i kaplice nie s^ wyposazone w stale urz^dzenia gasnicze. Konsekwencj takiego staniu rzeczy s^ trudne do opanowania pozary tych obiektów. Cz?sto obiekty te wyposazone s^ w system sygnalizacji alarmu pozaru, jednak szybko rozwijaj^cy si? pozar w takich obiektach uniemozliwia skuteczne dzialanie gasnicze strazy pozarnej b?d^cej na miejscu w ci^gu kilkunastu minut od chwili zaalarmowania przez system o pozarze. Rozwi^zaniem takiego stanu rzeczy jest zastosowanie urz^dzeñ gasniczych, które, albo ugasilyby pozar, albo przynajmniej znacznie spowolnilyby jego rozwój - tak, aby straz pozarna byla w stanie rozpocz^e akcj ? gasnicze przed faz^ rozgorzenia.
Jednym z istotnych aspektów badan nad opracowywanym dwufunkcyjnym urz^dzeniem gasniczym mglowym jest okreslenie optymalnych wielkosci srednic kropli mgly wodnej. Na lamach niniejszego artykulu przedstawiono rozwazania dotycz^ce optymalnych wielkosci srednic kropli mgly wodnej z uwagi na efektywnose tlumienia pozarów i chlodzenie, w szczególnosci w odniesieniu do zastosowan w obiektach drewnianych.
1. Teoretyczne podstawy rozpylania cieczy
W ochronie przeciwpozarowej najcz?sciej rozpylan^. cieczy jest woda. Dlatego przypomnienie wlasnosci cieczy, a szczególnie wody, b?dzie bardzo pomocne w przedstawieniu podstaw rozpylania cieczy. Z kolei zrozumienie podstawowych praw rz^dz^cych rozpylaniem cieczy jest niezb?dne do przedstawienia metod wytwarzania silnie rozpylonych strumieni wodnych i dalej, wykorzystania ich do celów gasniczych. Teoretyczne
podstawy rozpylania cieczy opracowano z wykorzystaniem glownie publikacji [1] Orzechowski Z., Prywer J., Rozpylanie cieczy, II wydanie, WNT Warszawa 1991.
1.1. Wlasciwosci i parametry cieczy maj^ce wplyw na proces rozpylania
Gestose cieczy p jest to stosunek masy m (kg) do obj?tosci V (m ) w okreslonej temperaturze i cisnieniu:
m ,,,
P = — (1)
V
W przypadku wody w temperaturze 4 OC i pod cisnieniem 101 325 Pa g?stosc ta wynosi 999,97 kg/m3.[2]
Lepkose jest to zdolnosc plynu do przenoszenia napr?zen stycznych przy wzajemnym poruszaniu si? warstw plynu. W uj?ciu matematycznym jest to wspolczynnik proporcjonalnosci we wzorze Newtona na napr?zenia styczne t wyst?puj^ce w przeplywaj^cym plynie:
dv
* = -»-r (2)
an
st^d wspolczynnik lepkosci:
dv
m = -t— (3)
dn
gdzie: / - lepkosci dynamiczna (Pa-s) lub (kg/m-s)
— - gradient pr?dkosci dv na kierunku dn dn
Lepkosc cieczy w odniesieniu do cieczy jednorodnych, do ktorych mozemy zaliczyc wod?, zalezy:
• od wlasciwosci plynu w zakresie przeplywow laminarnych (przeplywy wolne),
• od ruchu cieczy zakresie przeplywow turbulentnych (przeplywy szybkie).
Lepkosc dynamiczna czystej wody w temperaturze 20 OC w zakresie przeplywow laminarnych wynosi 1004 x 10-6 Pa-s. [2]
2
Stosowane jest równiez poj?cie lepkosci kinematycznej u (m2/s)
u = m (4)
P
2
Napigcie powierzchniowe o (J/m ) na granicy fazy cieklej i gazowej wynosi:
a= dEi (5)
dA
gdzie: dEA - energia powierzchniowa, czyli energia w (J) zuzyta na zwi?kszenie powierzchni cieczy o wartosc dA.
Napi?cie powierzchniowe czystej wody w powietrzu w temperaturze 20 OC wynosi 72,58 x 10-3 N/m.[2]
Temperatura wody jest istotnym parametrem wody wplywaj^cym na rozpylanie. Wraz z jej wzrostem zmniejsza napi?cie powierzchniowe wody, co przyczynia si? do lepszego rozdrobnienia. Temperatura wody stosowanej do rozpylania w urz^dzeniach gasniczych zwykle nie odbiega od temperatury otaczaj^cego srodowiska. Dodatków do wody uzywa si? bardzo rzadko i tylko w uzasadnionych przypadkach. Najcz?sciej s^. to srodki powierzchniowo czynne zmniejszaj^ce napi?cie powierzchniowe wody. Poza tym mog^. byc zastosowane sole obnizaj^ce temperatur? zamarzania i jednoczesnie poprawiaj^ce skutecznosc gasnicz^. - np. chlorki metali alkaicznych (NaCl, CaCl2, MgCl2) i w?glany.
Wplyw okreslonych wlasciwosci cieczy na jej podatnosc na rozpylenie (uzyskiwane wielkosci kropli) - ogólne zaleznosci:
• ciecze o wi?kszych g?stosciach tworz^. mniej sze krople, [ 1 ]
• ciecze o wi?kszej lepkosci tworz^. wi?ksze krople, [16]
• ciecze o wi?kszym napi?ciu powierzchniowym tworz^. wi?ksze krople. [1]
Dodanie do wody odpowiednich modyfikatorów powoduj^cych zmniejszenie napi?cia powierzchniowego zwi?ksza stopien rozdrobnienia strumienia wodnego. Podniesienie temperatury wody powoduje równiez zmniejszenie napi?cia powierzchniowego i zmniejszenie lepkosci, co sprzyja jej podatnosci na rozpylenie na mniejsze krople. Klasycznym przypadkiem wykorzystania wysokiej temperatury do wspomagania rozpylania
cieczy jest rozpylanie cieczy przegrzanej. Sposob ten, ze wzglçdu na bezpieczenstwo, nie jest polecany w zabezpieczeniach przeciwpozarowych. 1.2. Rozpylanie cieczy
Rozpylanie cieczy jest to rozpad cieczy na krople w wyniku dostarczania w odpowiedni sposob energii mechanicznej. Urz^dzenie sluz^ce do rozpylania cieczy nazywamy w ogolnym zastosowaniu rozpylaczem. Spotykana jest rowniez nazwa atomizer. Odpowiednio zbudowana dysza (w znaczeniu: koncowka przewodu hydraulicznego sluz^ca do formowania strumienia cieczy) moze pelnic funkcjç rozpylacza i bywa nazywana dyszq rozpylajqcq.
W ochronie przeciwpozarowej rozpylacze stosuje siç glownie do rozpylania wody. W zaleznosci od przeznaczenia rozpylacze te nosz^. rozne nazwy. S3. to przede wszystkim:
• prqdownice - w odniesieniu do rozpylaczy wodnych obslugiwanych rçcznie a sluz^cych podawaniu rozpylonych i zwartych strumieni wodnych np. z hydrantu, z linii gasniczej.
• tryskacze i zraszacze - w odniesieniu do rozpylaczy wodnych w stalych urz^dzeniach gasniczych tryskaczowych i zraszaczowych.
• kurtyny wodne - do wytwarzania zaslon wodnych maj^cych na celu zmniejszenie sily promieniowania cieplnego pozaru lub wychwycenia szkodliwych substancji z powietrza.
• dysze mglowe - dysze umozliwiaj^ce rozpylenie wody do wysokiego stopnia rozpylenia.
• glowice mglowe - zespol kilku (kilkunastu) dysz sluz^cy do rozpylania wody do wysokiego stopnia rozpylenia; glowice mglowe s^. bardziej wydajne od dysz mglowych z uwagi na ilosc rozpylanej wody.
Formy rozpadu strumienia cieczy (mechanizmy rozpylania cieczy)
Mechanizm rozpylania cieczy nalezy rozpatrzyc na trzech nastçpuj^cych formach strumieni cieczy:
• strug cieczy,
• blon cieczy,
• kropli rozpadaj ^cych siç wtornie na mniej sze krople.
Charakter rozpadu strugi cieczy zalezy od pr?dkosci wyplywu strugi z dyszy (ryc. 1). [1]
a> b) C)
Ryc. 1. Rozpad cylindrycznej strugi cieczy pod wplywem sil aerodynamicznych [1]:
a. powodowanych zakloceniami symetrycznymi,
b. powodowanych zakloceniami asymetrycznymi,
c. powodowanych turbul encj
Najogolniej ujmuj^c, rozroznia si? trzy charakterystyczne formy rozpadu, ktore zachodz^. pod wplywem zaklocen symetrycznych, asymetrycznych lub powodowanych turbulenj Te formy rozpadu dotycz^. pr?dkosci przeplywu rz?du 1 m/s, 10 m/s i powyzej kilkudziesi?ciu m/s, wi?c odpowiednio wzrastaj^cego udzialu sil aerodynamicznych.
Przebieg rozpadu blony cieczy, tak jak przebieg rozpadu strugi, zalezy glownie od pr?dkosci wyplywu cieczy z rozpylacza. Zjawiskiem wspolnym dla kazdego z tych przebiegow jest utrata statecznosci strug, bowiem blona rozpada si? na strugi, a nast?pnie na krople. Mozna wyodr?bnic trzy charakterystyczne przebiegi rozpadu blon w zaleznosci od pr?dkosci wyplywu cieczy z rozpylacza wirowego (ryc. 2).
Ryc. 2. Powstawanie kropli w rozpylaczu wirowym a) rozpad blony b) rozpad blony wskutek c) rozpylanie
wskutek perforacji zjawisk falowych cieczy [1]
Przy pr?dkosci do kilkunastu metrow na sekund? (ryc. 2a) blona zmniejsza swojq grubosc od kierunku wyplywu i w okreslonym momencie zaczyna p?kac tworzqc otwory -perforacje. Przy wi?kszych pr?dkosciach wyplywu ujawniajq si? coraz wyrazniej zjawiska falowe powodujqc charakterystyczny rozpad blony (ryc. 2b). Przy dalszym wzroscie pr?dkosci wyplywu (powyzej kilkudziesi?ciu m/s) maleje dlugosc fal, a rosnie ich amplituda powodujqc tym samym wlasciwe rozpylanie (ryc. 2c).[1]
Wtorny rozpad kropli nast?puje w skutek dzialania sily aerodynamicznej, czyli wtedy, gdy krople dostajq si? do obszaru, w ktorym panuje zwi?kszone cisnienie dynamiczne gazu (pgw /2). Cisnienie dynamiczne rosnie wraz ze wzrostem g?stosci gazu (pg), a przede wszystkim ze wzrostem wzgl?dnej pr?dkosci (w) miedzy gazem a kroplq. Wskutek oplywu kropli przez gaz tworzy si? na jej powierzchni rozklad cisnien, ktory prowadzi do deformacji kropli. W przypadku cieczy o malej lepkosci, jedynq silq. przeciwdzialajqcq deformacji kropli jest sila napi?cia powierzchniowego.
Jak wczesniej wspomniano, na krople dzialajq dwie glowne sily, tj. sila aerodynamiczna i sila napi?cia powierzchniowego. Gdy pierwsza z tych sil jest wi?kszq od drugiej, wowczas kropla deformuje si? i rozpada. Warunek rownowagi sil jest nast?pujqcy:
pD2 P»w2
4
2
■ pDs
(6)
c
st^d otrzymuje siç:
pgw2 D 8
Wekr = ^-= - (7)
s Cx
gdzie: cx - wspôlczynnik oporu kropli, Wekr - krytyczna liczba Webera, w - prçdkosc kropli wzglçdem gazu, о - napiçcie powierzchniowe, D - srednica kropli, pg - gçstosci gazu.
Z poprzedniego rôwnania mozna obliczyc krytyczn^ srednicç kropli, czyli maksymalna srednicç kropli D = Dmax, ktôra moze istniec w tych warunkach, gdyz wszystkie krople wiçksze od (Dmax) powinny ulec rozpadowi
swe
Dmax = ^T (8)
PgW
Rozpad wtôrny kropli zachodzi wtedy, gdy We > Wekr. Im wiçksza jest liczba (We), tym wymiary kropli w wyniku rozpadu wtôrnego s^. mniejsze.[1]
Mozna rôwniez wprowadzic pojçcie minimalnej srednicy kropli (Dmin), ktôra nie zmienia siç wskutek rozpadu nawet w najbardziej szybkim przeplywie gazu. Dzieje siç tak, poniewaz krople o srednicach D < Dmin s^. latwo unoszone przez gaz, co wyklucza mozliwosc ich rozpadu. Oczywiscie w danym widmie rozpylenia mog^. znajdowac siç krople o srednicach mniejszych od (Dmin), bowiem takie krople mog^. powstac w normalnym procesie rozpylania. [1] 1.3. Balistyka kropli
Zagadnienie balistyki kropli jest bardzo zlozone i trudne do precyzyjnego ujçcia zarôwno od strony analitycznej jak i eksperymentalnej. Wynika to z nastçpuj^cych powodôw:
• ruch kropli odbywa siç czçsto w polu dzialania rôznych i zmiennych sil,
• ruch pojedynczej kropli i ruch strugi kropli podlegaj^. odmiennym prawom,
• struga kropli zawiera krople o rôznych srednicach, wskutek czego ich ruch przebiega inaczej niz ruch kropli o sredniej srednicy (wszelkie obliczenia wykonuje siç dla kropli o sredniej srednicy),
• krople ulegaj^. deformacjom i nastçpuje zmiana ich wymiarôw (rozpad wtôrny, parowanie) podczas ruchu, co jest szczegôlnie zauwazalne powyzej pewnej odleglosci od rozpylacza (0,5 ^ 1 m),
• na powierzchni kropli mog^. siç osadzac cz^stki stale, powoduj^c zmianç ich masy. [1] Analizuj^c balistykç kropli nalezy rozpatrzyc dwa podstawowe ujçcia problemu:
• ruch pojedynczych kropli,
• ruch strugi kropli.
Rozpatruj^c ruch i zasiçg pojedynczej kropli nalezy wzi^c pod uwagç energiç kinetyczn^. kropli, jej wlasciwosci aerodynamiczne oraz wzajemne prçdkosci kropli i gazu. Przy malych srednicach kropli wiçkszej wagi nabieraj^. procesy dyfuzji. Najprostszym przypadkiem ruchu strugi kropli to opadanie strugi kropli w duzym obszarze nieruchomego gazu. Opadanie takie moze przebiegac wedlug dwóch granicznych mechanizmów. Realizacja jednego lub drugiego mechanizmu zalezy przede wszystkim od koncentracji, srednicy i prçdkosci kropli oraz od gçstosci cieczy i gazu. Mechanizmy te maj^. nastçpuj^cy charakter:
1. Mechanizm porywania. Jezeli pomiçdzy kroplami istnieje duze wzajemne oddzialywanie aerodynamiczne, wówczas krople porywaj^. gaz, który wypelnia przestrzen miçdzy kroplami . [1]
2. Mechanizm segregacji polega na miejscowych koncentracjach okreslonych frakcji kropli. W strudze kropli znajduj^. siç krople o róznych srednicach. Róznorodnosc ta powoduje, ze krople o róznych srednicach podlegaj^. odpowiednio oddzialywaniom sil o róznych wartosciach - poruszaj^ siç w rózny sposób oraz maj^ niejednorodny rozklad objçtosciowy w strudze np. krople w strumieniu z rozpylacza wirowego rozkladaj^. siç w ten sposób, ze w osi rozpylacza jest przewaga drobnych kropli, a na obwodzie strumienia przewaga grubych kropli.
Powyzej opisana zlozonosc warunków narzuca koniecznosc stosowania daleko posuniçtych uproszczen w obliczeniach, co z kolei powoduje, ze wyniki obliczen obarczone s^. na tyle duzymi blçdami, iz czasem trac^. wymagan^. uzytecznosc praktyczn^.. St^d tez w inzynierskich zastosowaniach obliczenia dotycz^ce balistyki kropli zwykle s^. weryfikowane eksperymentalnie. 1.4. Parametry rozpylonej cieczy
Kluczowe znaczenie przy rozpatrywaniu parametrów rozpylonej cieczy ma rozpylacz - jego konstrukcja, sposób rozpylania, wymiary. Nie mniejsze znaczenie maj^. warunki rozpylania (temperatura, cisnienie) i parametry fizyczne rozpylanej cieczy, wplyw dodatków
modyfikuj^cych do cieczy. Niniejszy rozdzial koncentruje siç na parametrach rozpylonej cieczy pomijaj^c technologie rozpylania.
Termin mgla wodna oznacza intuicyjnie bardzo drobno rozpylon^. wodç tak, aby pozostala zawieszona w powietrzu przez pewien okres czasu. Termin ten odzwierciedla jedn^ z cech jakosciowych strumienia rozpylonej wody (mgly wodnej), tj. rozmiary kropli s^. male w porôwnaniu do kropli deszczu lub kropli w strumieniu wody wyrzuconej z tryskaczy. Rozmiary kropli nie s^. jedyn^, wazn^, z uwagi na zastosowanie, cech^. strugi rozpylonej cieczy. W zaleznosci od przewidywanego celu stosowania - gaszenie, chlodzenie, oczyszczenie powietrza czy zapobieganie rozgorzeniu - rozpylony strumien powinien siç wyrôzniac szeregiem cech, optymalnych dla danego zastosowania, np. :jakosci^ rozpylenia, rôwnomiernosci^ rozpylenia, pçdem strumienia, udzialem w strumieniu duzych kropli, itp.
Chc^c sklasyfikowac parametry rozpylonej cieczy nalezy opisac j^. na dwôch poziomach - w skali makro, rozpatruj^c makrostrukturç rozpylonej cieczy i w skali mikro, rozpatruj^c jej mikrostrukturç. 1.4.1. Makrostruktura
Makrostrukture strumienia mgly wodnej mozna ogôlnie opisac powierzchniami izometrycznymi gçstosci masowej. Powierzchnie izometryczne gçstosci masowej s^. to powierzchnie o tej samej gçstosci masowej - podobnie jak izobary w meteorologii to powierzchnie w atmosferze o tym samym cisnieniu. W zaleznosci od metodyki pomiaru i uzyskanych ksztaltôw tych powierzchni izometrycznych gçstosci masowej mozemy môwic o:
• k^cie rozpylenia,
• zasiçgu strumienia,
• rozkladzie intensywnosci zraszania.
Kqt rozpylenia a jest to k^t wierzcholkowy rozpylonego strumienia. Na rysunku 3 widac, ze strumien zwçza siç wraz ze wzrostem odleglosci x od dyszy. Zwçzenie strumienia wynika glôwnie z dzialania otaczaj^cego gazu, ktôry zostaje wprawiony w ruch przez zasysaj^ce dzialanie strumienia. Istotne znaczenie ma rôwniez sila ciçzkosci. K^t a moze byc, zatem jednoznacznie okreslony, tylko w mocno rozrzedzonym gazie w warunkach niewazkosci. Czasem definiuje siç k^t rozpylenia za pomoc^ k^ta a', ktôry mozna mierzyc w normalnych warunkach. Pomiar taki ma sens wtedy, gdy dla danej odleglosci x jest znana wspôlzaleznosc odcinkôw AB i AB', czyli wspôlzaleznosc k^tôw a i a'.[1]
Ryc. 3. Zw?zenie strugi kropli w nieruchomym otoczeniu
Do celow praktycznych wykorzystywany jest glownie kqt a', gdyz zalezy nam na znajomosci obszaru zraszania, jaki mozna uzyskac z danego rodzaju dyszy. Z kolei znajomosc obszaru zraszania jest konieczna do obliczenia liczby i rozmieszenia dysz urzqdzenia gasniczego tak, aby pokryc calq powierzchni? chronionq. Kqt rozpylenia a' jest rowniez istotny w przypadku uwzgl?dniania fizycznych przeszkod stojqcych na drodze rozpylanych kropli. Znajomosc kqta a' pozwala na usytuowanie dysz umozliwiajqce omini?cie przeszkod.
Z kqtem a' zwiqzany jest napor, jaki wywiera rozpylany strumien na okreslonq jednostkowq powierzchni? oraz zasi?g strumienia. Im wi?kszy kqt a' przy danej wydajnosci i cisnieniu tym mniejszy napor na okreslonq jednostkowq powierzchni?, na ktorq pada strumien. Przy wzrastajqcym kqcie a' maleje jednoczesnie z naporem zasi?g strumienia.
Zasigg strumienia L jest to dlugosc strumienia w kierunku osiowym. Zasi?g L zwykle mierzy si? dwoma sposobami:
a. przy poziomym rzucie strumienia (rys. 4a), Lh jest funkcjq wysokosci h,
b. przy pionowym rzucie strumienia (rys. 4b), przyjmuje si? ze zasi?g strumienia L99 jest to wysokosc, na ktorq uniesie si? nie mniej niz 99% masy cieczy.[1]
a) b)
Ryc. 4. Zasi?g strugi kropli a) przy poziomym rzucie strumienia b) przy pionowym rzucie strumienia [1]
Zasi?g L zalezy od pr?dkosci wyplywajqcej cieczy, jej masy i widma rozpylania - im wi?ksza pr?dkosc i wi?ksza masa, a w strumieniu jest znaczqcy udzial kropli o duzych srednicach, tym zasi?g L jest wi?kszy. Parametr ten w sposob bardzo istotny wplywa na skutecznosc gasniczq. Zwykle wi?kszy zasi?g rozpylonego strumienia zapewnia lepszq skutecznosc gasniczq..
Na podstawie wynikow pomiarow widma rozpylenia przedstawiajqcych rozklad ilosciowy cieczy1 w strudze kropli mozna obliczyc intensywnosci zraszania dla danego punktu pomiarowego. Dysponujqc informacjq o liczbie kropli z kazdego przedzialu pomiarowego, jaka osiadla na okreslonej powierzchni wyznaczonej przez sond? pomiarowa mozna obliczyc mas? wody, jaka zostala wykroplona na tej powierzchni. Przy odniesieniu do jednostki czasu mozna wyliczyc szacunkowq wartosc intensywnosci zraszania. Wysokie dokladnosci pomiarow intensywnosci zraszania sq mozliwe do osiqgni?cia przy bezposrednich pomiarach ilosci wody wykroplonej w poszczegolnych punktach w odniesieniu do jednostki czasu. Przykladowe sposoby pomiarow intensywnosci zraszania umozliwiajqce osiqgni?cie duzej dokladnosci pomiarow ilustrujq rysunki 5, 6, 7 i 8. Numery w komorkach symbolizujq przykladowe wysokosci slupow wody (mm) w naczyniach pomiarowych po okreslonym czasie dzialania dyszy. Dysza umiejscowiona jest centralnie na okreslonej wysokosci h (m) nad zestawem naczyn pomiarowych.
1 Wyjasnienie w rozdziale Mikrostruktura.
0 0 0 1 3 1 3 0 0 0
0 2 3 7 7 6 6 4 5 0
1 6 12 12 11 9 11 9 4 0
3 6 13 10 11 10 9 11 8 2
5 8 10 10 12 « 12 1 10 9 7 4
4 8 10 11 12 P11 11 10 8 5
2 7 10 9 9 10 10 11 5 3
1 5 11 9 8 9 11 12 4 1
0 2 3 7 7 5 7 4 3 0
0 0 2 3 2 1 3 2 0 0
Ryc. 5. Schemat stanowiska do pomiarów pelnego rozkladu intensywnosci zraszania
Ryc. б. Schemat stanowiska do pomiarów obwodowego rozkladu intensywnosci zraszania
Ryc. 7. Schemat stanowiska do pomiarów promieniowego rozkladu intensywnosci zraszania
Utworzony wykres na podstawie otrzymanych wyników pomiarów z pelnego rozkladu intensywnosci zraszania bçdzie wykresem trójwymiarowym. Chc^c przedstawic rozklad intensywnosci zraszania na plaszczyznie nalezy siç posluzyc liniami izometrycznymi objçtosci wody - powstan^. one przez pol^czenie liniami komórek o tych samych wartosciach. Linie izometryczne objçtosci wody s^. obrazem przeciçcia powierzchni izometrycznych gçstosci masowej plaszczyzn^. pomiarow^..
Dysza rozpylaj^ca powinna charakteryzowac siç okreslon^, symetryczn^, równomiernosci^ rozpylenia. Ryc. 7 przedstawia pomiar promieniowego rozkladu intensywnosci zraszania, natomiast ryc. б przedstawia pomiar obwodowego rozkladu intensywnosci zraszania. Promieniowy rozklad intensywnosci zraszania sluzy do oceny równomiernosci strugi kropli wzdluz promienia, natomiast obwodowy rozklad intensywnosci zraszania sluzy do oceny symetrii strugi kropli wzglçdem jej osi.
Intensywnosc zraszania dysz przeznaczonych do stalych urzqdzen gasniczych mglowych powinna byc mierzona jednoczesnie na kilku dyszach, - do badan przyjmuje si? na czterech sqsiednich dyszach-, jak to przedstawiono na ryc. 8. Uzasadnione jest to tym, ze dysze w tych urzqdzeniach pracujq w zespolach: albo pracujq w sekcjach (urzqdzenia zraszaczowe) albo zaklada si?, ze nastqpi otwarcie kilku sqsiednich dysz (urzqdzenia tryskaczowe). Bardzo rzadko zaklada si?, ze dysze dzialajq pojedynczo. W obszarach granicznych strumienie z kilku sqsiednich dysz nakladajq si? nawzajem na siebie tworzqc nieco inny rozklad intensywnosci zraszania niz w przypadku strumienia z tych dysz rozpatrywanych jako kazda dysza oddzielnie. Totez istnieje potrzeba sprawdzenia w szczególnosci obszarów „granicznych". Duze róznice w wartosciach intensywnosci zraszanie pomi?dzy poszczególnymi komórkami sq bardzo niekorzystne - swiadczy to o nieprecyzyjnym wykonaniu dyszy. Cech? tq okreslanq jako nierównomiernosc rozktadu intensywnosci zraszania mozna mierzyc i porównywac jej wartosc z innymi dyszami.
'9 8 7 8 8 7 9 9 8 8«
8 8 8 9 8 8 7 9 8 8
9 8 7 7 7 7 8 9 9 8
7 8 7 7 6 7 7 9 8 9
9 8 7 6 5 6 6 7 8 9
8 9 8 7 5 5 6 7 9 8
9 8 9 7 6 7 7 8 9 8
9 8 9 8 7 8 9 8 9 8
9 8 8 9 8 8 8 8 9 9
9 1 8 7 9 9 9 8 8 8 8 i
Ryc. 8. Schemat stanowiska do pomiarów rozkladu intensywnosci zraszania dysz pracujqcych
w zespole
Nierównomiernosc rozkladu intensywnosci zraszania I mozna okreslic liczbowo na podstawie równania:
I = qmax ~ qmm 100% (9)
qsr
gdzie: qmax, qmin, qsr - odpowiednio maksymalna, minimalna i srednia intensywnosc zraszania. [1]
Parametr I, ustalony na podstawie pomiarów pelnego rozkladu intensywnosci zraszania dyszy lub zespolu dysz, bçdzie bardziej wiarygodny niz ustalony na podstawie pomiarów promieniowego lub obwodowego rozkladu intensywnosci zraszania, przy zastosowaniu komórek tej samej wielkosci. Niew^tpliwie ten pierwszy jest duzo bardziej pracochlonny. Nalezy zwrócic jeszcze uwagç na to, aby zgodnie z regulami statystyki, do pomiarów uzyc stosunkowo duzej liczby komórek pomiarowych - adekwatnie do pola pokrycia, jakie zakresla dana dysza.
Opisane wyzej sposoby mierzenia intensywnosci zraszania (wyrazanej w przyroscie slupa wody w czasie [mm/min]) s^. wlasciwe w przypadku pomiarów mgly wodnej o niskim stopniu rozpylenia oraz „zwyklych" strumieni rozpylonych takich jak np. z tryskaczy. W przypadku mgly wodnej o wysokim stopniu rozpylenia (mgly wodnej okreslanej jako „sucha" tj o srednicy do 5 mikrometrów lub „nieosiadaj^ca" o srednicy do 5C mikrometrów) pomiar intensywnosci zraszania nie jest praktycznie mozliwy. Wyobrazeniem problemu moze byc próba pomiaru intensywnosci zraszania, jaka powodowalby znana wszystkim mgla atmosferyczna. Ekwiwalentem intensywnosci zraszania w takim przypadku moze byc gçstosc strumienia wyrazona w [ml/m ]. Jednym ze sposobów pomiaru gçstosci mgly wodnej zawieszonej w powietrzu jest pomiar ekstynkcji, czyli wyznaczenie gçstosci optycznej osrodka (tu mgly wodnej zawieszonej w powietrzu) na podstawie oslabienia promieniowania. 1.4.2. Mikrostruktura
Krople w rozpylonym strumieniu wody stanowi^. typowy uklad niejednorodny (polidyspersyjny), który charakteryzuje siç duzym rozrzutem srednic kropli. Jeszcze wiçkszy rozrzut wystçpuje w przypadku powierzchni i mas kropli. Na przyklad strumien kropli
0 srednicy od 1C pm do 2CC pm ma rozrzut srednic 1:2C a rozrzut mas do potçgi trzeciej, czyli 1:8CCC. Uklad polidyspesyjny, jakim jest rozpylony strumien wody, mozna przedstawic graficznie w postaci krzywej rozkladu ilosciowego (udzialów ilosciowych) kropli. Chc^c wiernie opisac mikrostrukturç rozpylanej cieczy nalezy policzyc calkowit^. ilosc kropli w badanej, reprezentatywnej próbce, jednoczesnie mierz^c srednice liczonych kropli. Nastçpnie calkowity zakres mierzonych srednic nalezy podzielic na kilkanascie lub kilkadziesi^t przedzialów wielkosci srednic, w zaleznosci od wymaganej dokladnosci
1 metody pomiaru. Dla przykladu: zmierzylismy, ze najwiçksze wytwarzane krople bçd^. mialy srednice Dmax = 4CC p,m, a najmniejsze, które jeszcze nas interesuj^. bçd^. mialy srednice 2C p,m - na tej podstawie tworzymy zakres od 2C p,m do 4CC p,m, który nastçpnie dzielimy np. na 19 równych przedzialów, kazdy o szerokosci 2C p.m. Liczba kropli (n) zakwalifikowanych
do okreslonego przedzialu (i) o szerokosci (DD) odniesiona do calkowitej liczby kropli (N)
przedstawia udzial ilosciowy (liczbowy) D n kropli w danym przedziale i.
- Dn
D n, =^ (10)
! N
Na tej podstawie, czyli znajomosci wielkosci kropli oraz udzialow ilosciowych w poszczegolnych przedzialach tworzymy histogram. Histogram jest opisany funkcjq rozkladu ilosciowego kropli wedlug nast^pujqcego wzoru:
D n
f (D) = ^ (11)
JnK ' DD
Post^pujemy ciqgle zgodnie z zasadami matematyki i stosujemy terminologie statystycznq. Przyjmujqc srednice kropli (D) jako zmiennq losowq (x) tj. zmiennq ciqglq przy szerokosciach przedzialow (Ax,.) dqzqcych do wartosci 0 mamy:
fn (x) = lim ^ = dJL (12)
®0 Dx, dx
Funkcja f(x) opisuje rozklad g^stosci prawdopodobienstwa zmiennej losowej (x), jej wykres przedstawia krzywq rozkladu ilosciowego kropli (czqstek). Powstaje ona przez wygladzenie krzywej schodkowej przedstawiajqcej procentowe udzialy ilosciowe czqstek w kazdym z przedzialow, przy czym srednica (x) jest zmiennq ciqglq. Jak widac na rys. 9, rozklad f(x) nie jest rozkladem normalnym (rozkladem Gaussa).
2 Analiza ilosciowa moze tu dotyczyc: liczby kropel, ich masy, obj^tosci, powierzchni lub dlugosci srednic kropli.
Ryc. 9. Krzywe fn(D)=fn(x) i Фп(Б)=Фп(х) udzialu ilosciowego cz^stek [1]
Funkcja f(x) jest pochodn^ dystrybuanty Ф(х) zmiennej losowej (x), zas dystrybuanta Ф(х) jest funkcja sumarycznego udzialu (rozkladu) ilosciowego kropli.
F n ( x) = Z D
n.
(13)
lub
F n ( x) = j fn ( x)dx
(14)
Dystrybuanta jako krzywa niemalej^ca okresla procentowy udzial liczby cz^stek o srednicach mniejszych od (x) jaki jest w calkowitej liczbie cz^stek. [1]
1=1
0
Wszystko, co powiedziano na temat rozkladu ilosci cz^stek fn(x) i Фn(x), w funkcji dlugosci (x) tj. srednic (D), dotyczy rowniez rozkladu ilosci cz^stek w funkcji powierzchni fA(x) i ФA(x) oraz objçtosci (masy) fV(x) i Фу-(x) - s^. to wartosci ilosciowe powi^zane ze sob^..
Na wykresach rozkladu obj?tosci fV(x) i ®V(x) - przedstawionych na rys. 10 - pokazano dwie charakterystyczne srednice. Jednq z nich jest srednica modalna zwana dominantq (Dmod), odpowiadajqca maksimum krzywej fv(x) lub punktowi przegi?cia krzywej (PV(x). Drugq jest srednica medialna (DV0,5), ktora dzieli powierzchni? pod krzywq fv(x) lub obj?tosc (mas?) kropli na dwie polowy, co odpowiada wartosci ®V(x) = 50%.[1] W literaturze, szczegolnie angloj?zycznej, srednic? medialnq oznacza si? cz?sto VMD .
Ryc. 10. Srednice charakterystyczne na krzywych rozkladu obj?tosciowego Mozna rowniez znalezc takq srednic? kropli, ktora b?dzie dzielila obj?tosc (mas?) kropli wedlug innych proporcji np. na wykresie OV(x) = 10%, co znaczy, ze obj?tosc (masa) kropli, ktorych srednice sq mniejsze od znalezionej (DV0,1) jest rowna 10% calkowitej obj?tosci mierzonych kropli. W identyczny sposob znajdujemy srednic? (DV0,9). Wyzej opisane srednice DV0,1, DV0,5, DV0,9 sq wykorzystywane jako srednice pozycyjne. Dzi?ki tym trzem punktom mozemy dosc precyzyjniej okreslic polozenie krzywej fv(x) i 0V(x), a co za tym idzie opisywane za ich pomocq widmo rozpylenia. Wykorzystuj qc kilka srednic pozycyjnych danego wykresu widma mozemy dosc obiektywnie porownywac miedzy sobq widma rozpylenia uzyskiwane w roznych warunkach (np. inne dysze, polozenie, cisnienie itp.). Porownania miedzy sobq tylko jednej srednicy (np Dmod, DV0,5 czy srednicy sredniej) jest uzyteczne przy ogolnych opisach, natomiast przy szczegolowych opisach moze dojsc do powstania duzych bl?dow.
3 Skrot z j?z. angielskiego od Volume Median Diametr.
Ryc. 11. Porównanie krzywych rozkladu objçtosciowego kropli w odniesieniu do dysz
mglowych róznego rodzaju [5]
Jak jest to widoczne w punkcie A na rysunku 11 dwa strumienie rozpylonej cieczy o tym samym DV0,5 (VMD) mog^. miec wyraznie rózne widma rozpylenia. Wazna jest informacja, ze w strumieniu rozpylonej cieczy znajduj^ siç krople o wiçkszych srednicach. Dziçki tej informacji mozna zapobiec np. rozbryzgiwania siç cieczy palnych na skutek przedarcia siç duzych kropli do powierzchni paliwa [5]. Wiarygodn^. informacje na ten temat daje znajomosc opisanych srednic pozycyjnych. W szczególnych przypadkach mozemy okreslic srednicç (Dmax) to znaczy, zmierzyc i podac, jakie maksymalnej wielkosci krople znajduj^. siç w rozpylonym strumieniu.
Krzywe eksperymentalne f(x) i Ф(х) mog^. byc opisane róznymi równaniami, które maj^. lepsze lub gorsze wlasnosci aproksymuj^ce. Do najbardziej znanych nalezy równanie Rosina-Rammlera:
(15)
Ф-у(х) = 1 - exp
D
gdzie:
D - srednica cz^stki,
5 - parametr rozkladu (jednorodnosci rozdrobnienia), X - parametr rozmiaru srednic kropli.
Parametry rownania 5 i X wyznacza si? graficznie na podstawie szeregu probek. Rownanie to okresla, jaki jest udzial obj?tosciowy (masowy) czqstek o srednicach mniejszych od D. [2]
Wobec faktu zroznicowania rozmiarow czqstek zachodzi koniecznosc charakteryzowania pobranej probki kropli za pomocq srednich srednic. Srednia srednica jest to wielkosc umowna, ktora charakteryzuje zbior jednakowych czqstek w zast?pstwie rzeczywistej populacji czqstek. Srednia srednica w zaleznosci od sposobu jej obliczania -okresla kazdorazowo takq wlasnosc zbioru, jak liczba, srednica, powierzchnia oraz obj?tosc czqstek, lecz nie daje pelnej informacji o samej populacji czqstek.
Ryc. 12. Zbiory czqstek: a) zbiór wielofrakcyjny, b) zbiór zastçpczy pod wzglçdem ilosci
i srednicy czqstek
Na rysunku l2a pokazano zbiór dziesiçciu (N = lG) czqstek kulistych o srednicach od l do lG jednostek umownych. Zbiór ten na rysunku l2b zastqpiono zbiorem równiez dziesiçciu czqstek o sredniej srednicy arytmetycznej 5,5 tych samych czqstek; oba zbiory majq tç samq dlugosc. Gdyby natomiast stworzyc zbiór zastçpczy o tej samej liczbie czqstek i o tej samej sumarycznej powierzchni, to czqstki zastçpcze mialyby srednicç 6,2l jednostek. Poniewaz ilosc czqstek w poszczególnych przedzialach wynosi An, wiçc dlugosc, powierzchnia i objçtosc (masa) czqstek w kazdym z przedzialów sq okreslone odpowiednio przez And, And2 i And3. Lqczne wartosci otrzymuje siç przez sumowanie we wszystkich przedzialach.
Tabela l.
Wybrane srednie srednice kropli (czqstek) [X][2]
Srednia srednica Oznaczenie Wzór Zastosowanie
Arytmetyczna (dlugosc/liczba) Dig Z AnD Z An porównanie ukladów dyspersyjnych
Objçtosciowa (objçtosc/liczba) D3G SAnd3 3 V SAn kontrola objçtosci, zjawiska objçtosciowe
Sautera (obj çtosc/powierzchnia) D32 Z AnD3 Z AnD2 zasiçg kropli, wymiana masy, wymiana ciepla
*Indeksy przy oznaczeniu srednicy oznaczajq, przestrzenie, po jakich dokonywano usrednienia np. srednia
srednica dlG oznacza, ze skojarzono wymiar liniowy srednicy (l) z wartosciq niemianowanq (G), jakq jest liczba kropli.
Srednica objçtosciowo powierzchniowa D32 (srednica Sautera) jest to srednica jednorodnego zbioru zastçpczego o tej samej sumarycznej objçtosci i tej samej sumarycznej powierzchni
wszystkich kropli, co w zbiorze rzeczywistym. Srednica Sautera jest stosowana najczçsciej, gdy chcemy opisac procesy zachodz^ce w srodowisku pozaru takie jak: zasiçg kropli, wymianç ciepla i masy.
Zasiçg kropli zalezy od stosunku sil bezwladnosci i sil oporu aerodynamicznego wedlug zaleznosci :[1]
^ pD3 A
D32 ~ pD2 p2v2 A (16)
Z
gdzie: p1, p2 - gçstosci cieczy i otaczaj^cego osrodka gazowego, a - przyspieszenie kropli.
Wymiana ciepla miçdzy kroplami i otoczeniem zalezy od stosunku ilosci ciepla potrzebnego do ogrzania kropli o AT do ilosci ciepla przejmowanego przez krople z otoczenia przy rôznicy temperatur AT wedlug zaleznosci :[1]
Z CiPi AT An
D32 ~ ZapD3 AT An (17)
gdzie: c1 - cieplo wlasciwe cieczy, a - wspolczynnik przejmowania ciepla.
Wymiana masy miçdzy kroplami i otoczeniem zalezy od stosunku masy kropli do masy odparowanej cieczy w jednostce czasu wedlug zaleznosci:[1]
^ pD3 л
Z л — An
D32~ ZpD2ß(Ca -C)An (18)
gdzie: ß - wspolczynnik wymiany masy, C, Co - koncentracja cieczy w otaczaj^cym osrodku gazowym z dala od powierzchni i przy powierzchni kropli.
Wskazniki rozpylenia cieczy s^. to wskazniki opisuj^ce mikrostrukturç rozpylonej cieczy, czyli innymi slowy, s^. to parametry opisuj^ce stan strumienia na poziomie mikro: srednie srednice kropli, pozycyjne srednice kropli, powierzchnie wlasciwe kropli, jakosc rozpylenia. Porôwnuj^c wskazniki rozpylenia cieczy miedzy sob^. mozna, przy wykorzystaniu
od jednej do kilku liczba charakteryzuj qcych te wskazniki, wybrac najbardziej pozqdane do danej aplikacji rozpylenie.
Powierzchnia wtasciwa kropli AD jest to powierzchnia przypadajqca na jednostkç objçtosci (rzadziej masy) rozpylonej cieczy. Znajomosc tej powierzchni jest istotna przy opisie procesów zachodzqcych na powierzchni kropli - np. adsorpcji (czyli wychwytywania) czqsteczek szkodliwych gazów lub czqstek cial stalych (np. dymu). Powierzchniç wlasciwq Ad mozna obliczyc ze znajomosci widma rozpylenia, lecz jest to czynnosc zbyt uciqzliwa, dlatego korzysta siç z pojçcia srednicy Sautera. Srednica D32 jest okreslona dla takiego zbioru kropli, który ma taki sam stosunek objçtosci i powierzchni wszystkich kropli, jak i jednej kropli o srednicy D32. Nalezy, zatem zapisac:
Ad = A = PD[2 = (19)
gdzie: A1 i V1 - powierzchnia i objçtosc jednej kropli.
23
Podstawiajqc D32 w centymetrach uzyskuje siç AD w cm /cm .
Na rysunku 13 przedstawiono wykres powierzchni wlasciwej jednorodnych kropli w zaleznosci od wielkosci srednic kropli.
6
Powierzchnia wtasciwa (cm2/cm3)
1200
800
400
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Srednica kropel (cm)
0
0
Ryc. 13. Zaleznosc powierzchni wlasciwej AD kropli od ich srednic D
Jakosc rozpylenia jest opisywana dwoma parametrami: stopniem rozpylenia i jednorodnosciq rozpylenia. Kazdy z tych dwóch parametrów bçdzie charakteryzowany przez okreslone liczby.[l]
Jednorodnosc rozpylenia J okresla rozrzut srednic kropli, przy czym wiçksza jednorodnosc rozpylenia oznacza mniejszy rozrzut srednic kropli.
W literaturze anglojçzycznej spotyka siç odwrotnosc tej wartosci okreslanej jako Relative Span Factor (RSF), ktôry oblicza siç wedlug wzoru:
RSF = 1/J = Dv0,9 -Dv0,1 [1][8] (20)
DV 0,5
Stopien rozpylenia informuje o sredniej srednicy kropli, przy czym wiçkszy stopien rozpylenia oznacza mniejszy srednic srednicç kropli [1]. W zaleznosci od zastosowania podaje siç odpowiednio okreslon^ srednic srednicç kropli - np. D32, D10. Cennym uzupelnieniem okreslenia jakosci rozpylenia jest podanie, oprôcz jednorodnosci rozpylenia J (lub wspôlczynnika RSF) oraz stopnia rozpylenia (czyli sredniej srednicy DXY), rôwniez srednicy Dmax - srednicy najwiçkszych kropli wystçpuj ^cych w strumieniu. Zalezy to od przewidywanego zastosowania mgly wodnej. Dla przykladu w strumieniu gasniczym mgly wodnej stosowanej do gaszenia pozarôw klasy F (tluszcze spozywcze) obecnosc kropli o srednicy wiçkszej niz Dkrytyczne spowoduje, ze kropla te nie zd^za odparowac przed osi^gniçciem powierzchni gaszonego tluszczu. Kontakt kropli wody z gor^cym tluszczem powoduje rozrzut tego tluszczu i w konsekwencji zintensyfikowanie spalania - efekt odwrotny od zamierzonego. W tym przypadku znajomosc srednicy Dmax jest koniecznie potrzebna do weryfikacji czy nie przekracza wartosci srednicy Dkrytyczne.
Rozklad ilosciowy kropli, czyli widmo rozpylenia jest podstawowym parametrem opisuj^cym mikrostrukturç rozpylonej cieczy. W oparciu o ten pierwotny parametr mozliwe s^. do wyliczenia inne rozklady (powierzchniowe, objçtosciowe) i liczby charakteryzuj3.ce te rozklady (srednice pozycyjne, srednice medialne, srednice srednie, jednorodnosc rozpylenia itd.). Rozklad ilosciowy nie jest jedynym parametrem opisuj^cym mikrostrukturç rozpylonej cieczy. W wielu zastosowaniach strumieni rozpylonych w ochronie p.poz. (glôwnie jednak do gaszenia i chlodzenia) waznymi parametrami s^ prçdkosci kropli oraz ich przestrzenne lub czasowo-przestrzenne koncentracj e.
W literaturze (glôwnie anglojçzycznej) utrwalil siç i funkcjonuje do tej pory podzial na 3 klasy mgly wodnej w zaleznosci od srednic kropli wystçpuj ^cych w tej mgle. Podzial ten opisany jest w [5] Fire Protection Handbook Eighteenth Edition FIG. 6-15G. Classification of drop size distributions—Classes 1, 2, and 3. Klasyfikacja ta jest nastçpuj^ca:
• Klasa 1 mgly wodnej to (Dv0.9)< 200 mikrometra.
• Klasa 2 mgly wodnej to 200< (Dv0.9)<400 mikrometra.
• Klasa 3 mgly wodnej to 400 < (Dv0.9)<1000 mikrometra.
Z przytoczonego podzialu wynika, zdefiniowanie mgly zalezy od przyjçtej konwencji -wedlug National Fire Protection Association mozemy nazywac mglq wodnq rozpylony strumien o wielkosci kropli nawet do 1 000 mikrometrow, podczas gdy intuicyjnie rozumiana mgla - np. mgla atmosferyczna charakteryzuje siç kroplami o srednicy zaledwie kilkudziesiçciu mikrometrow.
Metody pomiarowe mikrostruktury rozpylonych cieczy w sposob ogolny mozna podzielic na metody kontaktowe i bezkontaktowe. Metody kontaktowe pomiaru srednic wymagajq bezposredniego, mechanicznego kontaktu ukladu pomiarowego z kroplami podczas trwania pomiarow. Metody bezkontaktowe to metody wykorzystujqce fotografikç (mikrofotografie, holografie) i optykç (odbicie, rozpraszanie, interferencj ç, dyfrakcjç, absorpcje swiatla).[1]
Skutecznq metodq mierzqcq mikrostrukturç rozpylonej cieczy jest metoda zmiany amplitudy Dopplera. Wykorzystuje ona zjawisko interferencji (nakladania siç) fal swietlnych. Metodq tq mozna uzyskac wyniki z szerokiego przedzialu srednic kropli (od 1 p,m do 1 000 p,m) przy jednoczesnym pomiarze prçdkosci mierzonych kropli. [7] Jest to jednak metoda dosc pracochlonna.
Szybkq i dosc dokladnq metodq pomiaru srednicy kropli a przy tym niewymagajqcq duzego nakladu pracy jest metoda optyczna. Metoda ta umozliwia pomiar srednic kropel w bardzo szerokim zakresie od dziesiqtych czçsci mikrometra do kilku tysiçcy mikrometrow. Przy czym metoda ta umozliwia rowniez pomiar ksztaltow - ma to istotne znaczenie w przypadku czqstek stalych. [10]
Probkowanie jest istotnym elementem wplywajqcym na wynik pomiarow. Najwazniejszymi elementami probkowania wplywajqce w sposob istotny na otrzymane wyniki pomiarow sq: liczba zmierzonych kropli, miejsce probkowania wzglçdem dyszy rozpylajqcej i przestrzen wymiarowa - zdeterminowana przez metodç pomiaru.
Zgodnie z zasadami statystyki, im wiçkszq liczbç kropli zmierzymy tym mniejszy jest blqd okreslenia wymiarow kropli, czyli rzeczywistego widma rozpylenia strumienia. W obszarze pewnosci 95% dokladnosc okreslenia srednicy D32 wynika z tabeli 2. [1]
Tabela 2.
Dokladnosc okreslenia srednicy Sautera D32 w zaleznosci od liczebnosci zbioru kropli [1]
Liczba kropli Dokladnosc Liczba kropli Dokladnosc
500 ±17% 5500 ±5%
1400 ±10% 35000 ±2%
Informacja oprzestrzenipróbkowania (2-wymiarowej czy 3-wymiarowej) jest istotna do prawidlowego wykorzystania otrzymanych wyników pomiarów. Metoda fotoelektryczna jest technikq pomiaru, w której próbkowana jest okreslona przestrzen 2-wymiarowa (plaszczyzna). Pomiar w tym przypadku odbywa si? w przeciqgu okreslonego czasu. Technikq pomiarów, w której próbkowana jest okreslona przestrzen 3-wymiarowa jest np. holografia, szybka fotografía. Pomiar wówczas odbywa si? w nie w czasookresie, ale w punkcie czasowym.
Ryc. 14. Ilustracja przestrzeni pomiarowych:
a) 3-wymiarowej
b) 2-wymiarowej [8]
W odniesieniu do tego samego rozpylonego strumienia wodnego wyniki pomiarów w zaleznosci od przyj?tej przestrzeni pomiarowej b?dq róznily si? mi?dzy sobq - srednie srednice kropli b?dq mniejsze w nieruchomym obloku mgly wodnej w przypadku przestrzeni 2-wymiarowych niz w przypadku przestrzeni 3 wymiarowej. Wynika to z tego, ze w nieruchomym obloku mgly wodnej krople mniejsze poruszajq si? ruchem chaotycznym szybciej niz krople wi?ksze i dlatego cz?sciej przecinajq plaszczyzn? pomiarowq niz krople wi?ksze, a w zwiqzku z tym czujniki pomiarowe rejestrujq ich pozornie wi?kszy udzial. Jesli wszystkie krople w strumieniu poruszalyby si? w tym samym kierunku z identycznq pr?dkosciq to wówczas wynik pomiarów metodami wykorzystujqcymi przestrzen 2-wymiarowq i 3-wymiarowq bylby identyczny.[8]
2. Mechanizmy gasnicze wystçpuj^ce przy gaszeniu mgl^ wodn^
Prowadz^c analizç wlasciwosci wodnych pr^dôw rozproszonych z uwagi na ich zastosowanie do tlumienia pozarôw i mozliwosc opôzniania wyst^pienia rozgorzenia koniecznym wydaje siç wyjasnienie mechanizmôw gasniczych mgly wodnej. Rozwazaj^c mechanizmy gasnicze mgly wodnej nalezy miec na wzglçdzie warunki otoczenia (np. geometria zabudowy, intensywnosc wentylacji) oraz gaszony material (rodzaj, ilosc, rozmieszczenie). W zaleznosci od tego, jakie bçd^ warunki otoczenia oraz jakie materialy bçd^ gaszone, rôznie bçd^ siç przedstawily optymalne sposoby gaszenia i powi^zane z tymi sposobami optymalne parametry mgly wodnej. Do okreslonych warunkôw otoczenia oraz do gaszenia okreslonych materialôw nalezy dobrac optymalne w danym zastosowaniu sposoby gaszenia (np. gaszenie miejscowe lub objçtosciowe) oraz parametry mgly wodnej (glownie widmo rozpylenia oraz zasiçg rzutu). Dobôr ten nalezy prowadzic przy uwzglçdnieniu mechanizmôw gasniczych mgly wodnej oraz efektywnosci tych mechanizmôw w danej aplikacji. Ponizej przedstawiono przekrôj mechanizmôw gasniczych wystçpuj^cych przy gaszeniu mgl^. wodn^..
a) Chlodzenie strefy spalania i strefy gazow pozarowych - jest to dominuj^cy mechanizm gasniczy w przypadku gaszenia pozarôw grupy B (cieczy) i C (gazôw). Waga tego mechanizmu gasniczego rosnie wraz ze wzrostem stopnia rozpylenia. Przy wysokim stopniu rozpylenia mgly wodnej jest to dominuj^cy mechanizm gasniczy w odniesieniu do wszystkich grup pozarôw, ktôre mozna gasic mgl^. wodn^..
b) Chlodzenie spalanego materialu poprzez zraszanie jego powierzchni - jest to dominuj^cy mechanizm gasniczy w przypadku gaszenia pozarôw grupy A (cial stalych) i ma istotne znaczenie tylko przy dzialaniu „grubej" mgly. Mgla wodna o niskim stopniu rozpylenia (tzw. gruba) jest w stanie przebic siç przez strefç spalania i dotrzec do powierzchni spalanego materialu powoduj^c jego ochlodzenie. Bezposredni wplyw tego mechanizmu gasniczego przy gaszeniu pozarôw grupy B jest pomijalnie maly gdyz krople wody, ktôre przebj siç przez strefç spalania docieraj^c do powierzchni cieczy s^ zwykle pochlaniane przez t3 ciecz bez znacz^cego wplywu na wzrost efektywnosci gaszenia.
c) Wypieranie tlenu z powietrza (ze strefy spalania i najblizszego otoczenia) - mgla zmieniaj^c stan fazowy z cieczy w gaz zwiçksza swoj^. objçtosc ponad 1600 krotnie. Para wodna powstaje najbardziej intensywnie w najbardziej gor^cych obszarach, czyli w najwiçkszych ilosciach powstaje w strefie spalania i najblizszym otoczeniu strefy spalania. Para wodna w miejscach jej powstania powoduje wypieranie powietrza, a wraz z nim
nastçpuje obnizenie stçzenia tlenu. Dziçki obnizeniu stçzenia tlenu - szczegolnie w okolicach strefy spalania zyskujemy spowolnienie reakcji spalania.
Ten mechanizm gasniczy jest istotny w przypadku gaszenia w pomieszczeniach zamkniçtych, natomiast przy bardzo intensywnej wentylacji, jaka zachodzi na otwartej przestrzeni, wplyw efektu wypierania tlenu z powietrza na skutecznosc gasniczq jest nieznaczny. Koniecznym warunkiem wystqpienia tego efektu jest wysoki stopien rozpylenia mgly wodnej, a warunkiem sprzyjajqcym jest duzy plomien powodujqcy znaczne podwyzszenie temperatury w calej kubaturze pomieszczenia. Jesli wystçpuje wysoka temperatura w znacznej kubaturze to warunki te powodujq ze para wodna powstala z mgly wodnej bçdzie utrzymywala siç w tym pomieszczeniu powodujqc wypieranie tlenu oraz chlodzenie strefy spalania. W konsekwencji mgla wodna wywrze znaczqcy efekt gasniczy.
d) Zmniejszenie ilosci energii przekazywanej na drodze promieniowania cieplnego do materialu palnego - tzw. izolowanie promieniowania cieplnego. Bariera, jaka tworzy mgla wodna ogranicza rozklad termiczny materialow bçdqcych w poblizu strefy spalania. Skutecznosc izolowania promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do stopnia rozpylenia mgly wodnej. Izolowanie promieniowania cieplnego powoduje ze plomienie pozaru oddzialujq termicznie na spalany material ze znacznie mniejszq intensywnosciq co skutkuje zmniejszeniem intensywnosci pirolizy (lub parowania w przypadku palqcej siç cieczy), co z kolei powoduje ograniczenie rozprzestrzeniania siç pozaru.
e) Pçd kropelek mgly wodnej wraz z powietrzem oddzialujqcy na plomienie i powierzchniç spalanego materialu - duza wartosc pçdu moze strqcic plomien z powierzchni materialu i spowodowac jego ugaszenie. Im pçd jest wiçkszy, czyli im wiçksza masa strumienia mgly nabiera wiçkszej prçdkosci, tym wiçksza jest skutecznosc gaszenia i chlodzenia. Na efektywnosc gaszenia/chlodzenia strumienia wplywa stopien rozpylenia. W ogolnym przypadku im wyzszy stopien rozpylenia tym skutecznosc gaszenia i chlodzenia jest wyzsza, jednak w zbytnie rozpylenie spowoduje mniejszy zasiçg strumienia a to z kolei moze nie miec pozytywnego wplywu na skutecznosc gasniczq.
Mechanizm tu opisany zwiqzany z kinetykq strumienia nalezy zaliczyc do efektow wtornych gdyz jest specyficznym rodzajem przyspieszonego chlodzenia spowodowanego zintensyfikowanym ruchem medium gasniczego, ktorego mechanizm opisano w podpunktach a i b . Jest jednak wymieniany czasem w literaturze jako niezalezny mechanizm gasniczy mgly wodnej.
f) Efekt zjawiska „zamkniçtej przestrzeni" (ang. enclosure effect). Istotnym czynnikiem wplywaj qcym na skutecznosc gasniczq jest fakt czy gaszenie zachodzi w zamkniçtym
pomieszczeniu czy na otwartej przestrzeni. Efekt „zamkniçtej przestrzeni" polega na ograniczeniu wentylacji i „zatrzymywaniu" ciepla wypromieniowywanego i ciepla oddawanego na drodze konwekcji. „Zatrzymywanie" ciepla powoduje, ze mgla wodna ma lepsze warunki do przemiany fazowej w parç wodn^. (gdyz krople mgly wodnej poddane s^ dzialaniu wyzszej temperatury), a ograniczona wentylacja powoduje, ze wytworzona para wodna w sposôb bardziej intensywny rozciencza powietrze i w konsekwencji tlen w strefie spalania. Mechanizm ten nalezy zaliczyc do efektôw wtôrnych gdyz jest kompilaj podstawowych mechanizmôw gasniczych opisanych w podpunktach a/b chlodzenie i punkcie c wypieranie tlenu. Mechanizm ten w literaturze przedmiotu jest czasem wymieniany rôwniez jako niezalezny mechanizm gasniczy mgly wodnej.
Wymienione wyzej mechanizmy gasnicze s^ na ogôl tym skuteczniejsze im uzyta do gaszenia mgla wodna charakteryzuje siç:
a. wyzszym stopniem rozpylenia (wystçpuj 3 mniej sze krople);
b. wiçksz^jednorodnosc rozpylenia (wiçkszosc kropli jest o podobnej srednicy);
c. mniejsz^. nierôwnomiernosciq rozkladu intensywnosci zraszania (strumien pokrywa rôwnomiernie gaszon^ powierzchni ç).
Osi^gniecie wysokiego stopnia rozpylenia przy wykorzystaniu niskich cisnien (tj. w granicach do 12 bar) stanowi wysokie wyzwanie techniczne. W tym celu stosuje siç dysze lub zespoly dysz (tzw. glowice mglowe) o odpowiedniej konstrukcji umozliwiaj^cej uzyskanie wysokiego stopnia rozpylenia. Efekt wysokiego stopnia rozpylenia wspomagany jest czasem odpowiednimi dodatkami modyfikuj^cymi do wody maj^cymi na celu obnizenie napiçcia powierzchniowego.
Jednorodnosc rozpylenia nie wplywa na ogôl tak znacz^co na skutecznosc gasniczy jak stopien rozpylenia czy nierôwnomiernosciq rozkladu intensywnosci zraszania. W kontekscie jednorodnosci rozpylenia nalezy d^zyc do takich konstrukcji dysz oraz takich warunkôw rozpylania, aby nie pojawialy siç w widmie rozpylenia krople bardzo duze. Zalecenie to ma to szczegôlne znaczenie przy gaszeniu cieczy, elektroniki i materialôw wrazliwych na kontakt z wod3 oraz wrazliwych na szok termiczny.
W przypadku mgly o niskim stopniu rozpylenia nierôwnomiernosc rozkladu intensywnosci zraszania jest w znacznym stopniu uzalezniona od powierzchni dyszy na ktôrej nastçpuje rozpylanie.
W przypadku mgly o wysokim stopniu rozpylenia nierôwnomiernosc rozkladu intensywnosci zraszania jest w mniej zalezna od powierzchni dyszy, na ktôrej nastçpuje rozpylanie, a bardziej zalezna od ruchôw powietrza wokôl dyszy.
Opisujqc rozne mechanizmy gasnicze mgly wodnej uzasadnione wydaje siç podanie mechanizmu gasniczego typowego dla proszkow gasniczych, a ktory to mechanizm czasem dotyczy mgly wodnej. W przypadku systemow gasniczych na mglç wodnq stosowanych do ochrony obiektow zabytkowych nalezy liczyc siç z oddzialywaniem niskich temperatur. Jednym ze sposobow obnizenia temperatury krzepniçcia jest rozpuszczenie w wodzie soli metali alkaicznych i wçglanow. W przypadku zastosowania do wytwarzania mgly wodnej roztworow takich soli zachodzi efekt inhibicji rodnikowej. Drobiny soli powstale w odparowanych kroplach mgly zatrzymujq lancuchowq reakcjç rodnikowq plomienia -podobnie jak ziarna proszkow gasniczych w przypadku dzialania na plomien. Efekt ten jest tym bardziej znaczqcy im wiçksza masa mgly wodnej ulegnie odparowaniu.
3. Optymalne wartosci srednic kropli w mgle wodnej z uwagi na tlumienie pozarow i chlodzenie
W zaleznosci od przewidywanego celu stosowania mgly wodnej powinna ona charakteryzowac siç szeregiem najbardziej korzystnych dla danego zastosowania parametrow. Najbardziej istotnym parametrem z uwagi na tlumienie pozarow i gaszenie jest stopien rozpylenia i zwiqzane z nim srednie wartosci srednic kropli. Celem dzialania automatycznego systemu gasniczego przeznaczonego do zabezpieczania drewnianych obiektow zabytkowych moze byc:
• calkowite ugaszenie
• chlodzenie gorqcych gazow pozarowych i tlumienie pozaru zmierzajqce do opoznienie
wystqpienia zjawiska rozgorzenia.
Calkowite ugaszenie moze byc zagwarantowane jedynie wowczas, gdy na wczesnym etapie rozwoju pozaru zostanie podana mgla wodna o wysokiej gçstosci masowej - tak duzej, ze wykraplajqca siç woda zagraza stratami popozarowymi.
Chlodzenie gorqcych gazow pozarowych i tlumienie pozaru zmierzaj qce do opoznienie wystqpienia zjawiska rozgorzenia mozna osiqgnqc starajqc siç dzialac mglq wodnq w dwoch uzupelniajqcych siç kierunkach:
1. poprzez chlodzenie przestrzeni pomieszczenia, a glownie jego gornych warstw, oraz
2. poprzez dzialanie gasnicze zmierzajqce do tlumienia pozaru.
Ad. 1. W miarç rozwoju pozaru nastçpuje wzrost temperatury gazow pozarowych, ktore wypelniajq pomieszczenie gromadzqc siç poczqtkowo przede wszystkim w strefie
podsufitowej. Gor^ce gazy dzialaj^ na materialy, z ktôrymi wchodz^ w kontakt powoduj^c ich rozklad termiczny. Gromadzenie siç gazowych produktôw rozkladu termicznego przy rosn^cej temperaturze prowadzi do wyst^pienia zjawiska rozgorzenia, czyli gwaltownego zapocz^tkowania spalania w calej kubaturze pomieszczenia. Odpowiednie chlodzenie przestrzeni pomieszczenia powoduje zahamowanie procesôw prowadz^cych do rozgorzenia. Chlodzenie to powinno byc realizowane poprzez rozpylanie mgly wodnej w najbardziej gor^cych, gôrnych warstwach pomieszczenia.
Ad. 2. Warunkiem koniecznym wyst^pienia rozgorzenia jest postçpowy przyrost parametrôw pozaru - glôwnie mocy pozaru. Tlumienie pozaru, czyli dzialania zmierzaj^ce do ograniczenia rozwoju pozaru jest dzialaniem zapobiegaj^cym wyst^pieniu rozgorzenia. W sprzyjaj^cych okolicznosciach tlumienie pozaru moze doprowadzic do calkowitego ugaszenia pozaru. Tlumienie zachodzi przy wykorzystaniu mechanizmôw gasniczych omôwionych powyzej a glôwnie: chlodzenia strefy spalania i strefy gazôw pozarowych, wypieranie tlenu z powietrza na skutek parowania kropli zawartych w mgle gasniczej oraz izolowaniapromieniowania cieplnego. Celem tlumienia nie jest calkowite ugaszenie pozaru, ale ograniczenie jego rozwoju.
Z uwagi na wskazane cele, czyli tlumienie pozarôw oraz chlodzenie, nalezy dokonac analizy stopnia rozpylenia mgly wodnej i na jej podstawie okreslic najbardziej optymalne parametry mgly wodnej w tym glôwnie widmo rozpylenia.
W literaturze przedmiotu spotyka siç dwie czçsciowo przeciwstawne opinie dotycz^ce najbardziej skutecznych gasniczo stopni rozpylenia. Paul Grimwood [11,12] podaje, ze najbardziej skutecznym stopniem rozpylenia mgly wodnej (wodnych pr^dôw rozproszonych) do celôw gasniczych i do celôw chlodzenia gazôw pozarowych jest mgla wodna o sredniej srednicy kropli 200-400 mikrometrôw. Powoluje siç przy tym na badania The Swedish Fire Research Board (BRANDFORSK), nie podaj^c jednak zadnej przedmiotowej pozycji literaturowej. Rzekomo wyniki tych badan udowadniaj^, ze optymalne efekty chlodzenia mgl^ wodn^ uzyskuje siç przy zakresie srednich srednic od 200 do 600 mikrometrôw. Uzasadniano to tym, ze chlodzenie i gaszenie jest efektywne tylko wtedy, gdy krople wody ze strumienia gasniczego odparowuj^ tam gdzie s^ najbardziej poz^dane, czyli w strefie plomienia. Natomiast, gdy krople s^ mniejsze lub wiçksze od wskazanego zakresu zachodz^. niekorzystne zjawiska:
• krople o mniejszych srednicach odparowuj^ czçsciowo, zanim osi^gn^. strefç plomienia, a czçsc z nich dodatkowo nie dociera do strefy plomienia na skutek dzialania oporu osrodka i konwekcji pr^dôw cieplnych;
• kropli o wiçkszych srednicach nie mozna „zawiesic" w powietrzu, co objawia siç tym, ze szybko opadajq grawitacyjnie nie powodujqc spodziewanego efektu gasniczego, a przyczyniajq siç do „zalewania" materialow powodujqc dodatkowe straty popozarowe.
Przedstawione rozumowanie dotyczqce kropli o duzych srednicach (powyzej 600 mikrometrow) jest bezspornie sluszne - krople takie szybko opadajq w dol i osiadajq na odkrytych powierzchniach powoduj qc wykroplenia, przy czym mogq spowodowac zamoczenie materialow zabezpieczanych.
Przedstawione powyzej rozumowanie dotyczqce kropli o malych srednicach (ponizej 200 mikrometrow) moze byc sluszne, ale tylko przy dzialaniu miejscowym mgly wodnej. Natomiast przy gaszeniu mglq wodnq przez „calkowite wypelnienie", (czyli przy gaszeniu objçtosciowym) w zamkniçtym pomieszczeniu, twierdzenie takie jest dyskusyjne. Analiza teoretyczna, jak rowniez niektorzy autorzy prac [13,14], wskazujq, ze w przypadku gaszenia objçtosciowego nalezy dqzyc do jak najwyzszego stopnia rozpylenia. Uzasadnieniem takiego podejscia sq nastçpujqce argumenty:
1. Izolowanie promieniowania cieplnego. Izolowanie to jest tym efektywniejsze im wiçksza powierzchnia absorbuje to promieniowanie. Dysponujqc okreslonq ilosciq wody do rozpylenia mozna zwiçkszyc powierzchniç absorpcji kropli poprzez uzyskanie wiçkszego stopnia rozpylenia. Mgla wodna dziçki bardzo duzej powierzchni wlasciwej kropli wynikajqcej z wysokiego stopnia rozpylenia pozwala podniesc wspolczynnik wykorzystania wody kilku- lub kilkunastokrotnie. Na rysunku
2 3
13 przedstawiono zaleznosc powierzchni wlasciwej kropli AD [cm /cm ] od ich srednic D [cm]. Wynika z niego, ze zmniejszanie srednic kropli mgly wodnej powoduje, ze ich powierzchnia wlasciwa rosnie teoretycznie w kierunku nieskonczonosci. Jednak najwyzszy stopien rozpylenia nie moze przekroczyc srednicy czqsteczki wody (H2O), czyli 0,0002 mikrometra. W praktyce, energia konieczna do rozpylenia wody staje siç przy coraz mniejszych srednicach kropli na tyle duza, a i technologia rozpylania na tyle nieekonomiczna, ze do celow przeciwpozarowych stosuje siç krople o srednicy nie mniejszej niz 10-50 mikrometrow. Krople o srednicy ponizej 1 mikrometra sq zaniedbywane z uwagi na bardzo maly udzial masowy takich kropli w „klasycznym" widmie rozpylenia i zwiqzany z tym pomijalnie maly potencjal gasniczy. Natomiast technologia wytwarzania takich malych kropli (o srednicach ponizej kilku mikrometrow) o wystarczajqco wysokiej gçstosci wymaganej do
ugaszenia pozaru wedlug aktualnie posiadanej wiedzy, nie wyszla do praktycznego wykorzystania.
2. Czas zawieszenia kropli w powietrzu. Im mniejsze s^ srednice kropli tym dluzej krople te mog3 byc zawieszone w powietrzu. „Mgla" o duzych kroplach szybko spada pod wplywem grawitacji i aby mogla stanowic odpowiedni^. izolacjç promieniowania cieplnego musi byc ona bardzo szybko uzupelniana. Mniejsze krople natomiast dluzej utrzymuj^ siç w powietrzu powoduj^c niejako „zaleganie" mgly wodnej w powietrzu. Mgla taka moze dluzej oddzialywac na pozar tworz^c barierç promieniowania cieplnego, dziçki czemu wykorzystanie takiej mgly jest znacznie efektywniejsze.
3. Penetrowalnosc mgly. Kolejn^. pozytywn^. wlasciwosci^. mgly wodnej o wysokim stopniu rozpylenia jest latwiejsza penetracja przestrzeni trudnodostçpnych. Im mgla jest drobniejsza tym wlasciwosci determinuj^ce jej zachowanie s^ bardziej zblizone do wlasciwosci gazôw - bardziej rozdrobniona mgla latwiej omija przeszkody bez wykraplania siç na nich i w konsekwencji latwiej gasi pozary w miejscach trudnodostçpnych. Mgla o skrajnie wysokim stopniu rozpylenia mialaby najlepsze wlasciwosci do penetracji przestrzeni trudnodostçpnych.
4. Efektywne chlodzenie strefy spalania i strefy gazôw pozarowych. Male cz^stki umozliwiaj^ bardzo szybk^ absorpcjç promieniowania cieplnego oraz przejçcie ciepla od gor^cych gazôw. W przypadku podawania miejscowego zbyt male krople mog3 nie doleciec do ogniska pozaru ze wzglçdu na:
• szybkie parowanie takich malych kropli,
• mniejsze zasiçgi rzutôw (pçd strumienia malych kropli jest latwiej wytracany niz pçd strumienia duzych kropli).
Natomiast w przypadku gaszenia objçtosciowego mgla wodna powoduj^ca najlepszy efekt gasniczy nie dostaje siç do ogniska pozaru „z gôry" (jak w klasycznych urz^dzeniach wodnych) gdyz male krople maj^ nikle szanse na przebicie „pod pr^d" przez strumien konwekcyjny ognia. Taka „drobna" mgla rozpylona w calej przestrzeni pomieszczenia jest zasysana do ogniska pozaru dolem wraz ze swiezym powietrzem. Odpowiednia gçstosc tej mgly spowoduje, ze wci^gane do ognia krople, ktôre zd^z^ wyparowac przed osi^gniçciem strefy ognia ulegn^. przemianie w parç wodn^. a ta z kolei tez wywrze odpowiedni skutek gasniczy (tlumi^cy). Powstala para wodna rozciencza stçzenie tlenu w powietrzu zasysanym do ogniska pozaru oraz obniza temperaturç w pomieszczeniu - efekty te mog3 byc niewystarczaj3.ce do ugaszenia pozaru, ale mog3 skutecznie zapobiec zjawisku rozgorzenia.
5. Równomierne zraszanie. Dqzy siç zwykle do jak najbardziej równomiernego rozproszenia mgly w przestrzeni gaszenia i uzyskaniu równomiernego zraszania powierzchni zabezpieczanych obiektów - im srednice kropli sq mniejsze tym latwiej tq równomiernosc osiqgnqc. Dzieje siç tak, dlatego gdyz male krople utrzymujq siç stosunkowo dlugo w powietrzu i mogq siç przemieszczac ruchami konwekcyjnymi (o ile nie wyparujq) na znacznie wiçksze odleglosci niz krople duze. W wyniku, czego mniejszy wplyw na ich miejscowe koncentracje ma uksztaltowany na dyszy strumien mgly a wiçkszego znaczenia nabierajq prawa rzqdzqce ruchem aerozoli - prawa umozliwiajqce chaotyczne dryfowanie pojedynczych mikrokropli mgly wodnej w calej przestrzeni chronionego pomieszczenia. Dziçki temu nastçpuje stosunkowo równomierne rozproszenia mgly w przestrzeni i w konsekwencji równomierne zraszanie.
Potwierdzenie w praktyce stosowania mgly o mozliwie najwyzszym stopniu rozpylenia
Szereg opracowan teoretycznych i doswiadczalnych wskazuje na zalety mgly wodnej
0 wysokim stopniu rozpylenia. Dowody na skuteczne stosowanie mgly wodnej o kroplach monodyspersyjnych wielkosci 10 mikrometrów podano w opracowaniach firmy NanoMist Systems, LLC zamieszonych na stronie inetrnetowej National Fire Protection Asosiation [13]
1 National Institute of Standards and Technology [14]. Ponadto dzialajqca na polskim rynku zabezpieczen przeciwpozarowych firma Telesto Sp. z o.o. wykonuje skutecznie dzialajqce dysze i prqdownice mglowe które wytwarzajq mglç wodnq o wartosci sredniej srednicy D32 znacznie ponizej granicy uznanej przez P. Grimwooda za optymalnq.
Uzasadnienie stosowania mgly „grubej".
Decydujqc siç na okreslony rodzaj mgly wodnej nalezy zalozyc, jakiemu celowi ma ona sluzyc - w niektórych przypadkach optymalne zastosowanie znajdzie „gruba mgla", a w innych optymalne zastosowanie znajdzie silnie rozpylona „mgla sucha". Istotnym argumentem przemawiajqcym na korzysc „grubej mgly" przy gaszeniu objçtosciowym jest znacznie intensywniejsze chlodzenie materialu spalanego. Cecha ta ma jednak ograniczenie tylko do pozarów grupy A (cial stalych). Poza tym nie zawsze jest to cecha pozytywna -w przypadku gaszenia obiektów wrazliwych na wilgoc, np. elektroniki lub zabytkowych obrazów czy polichromii wykraplanie mgly na powierzchni chronionych obiektów jest niepozqdane czy wrçcz obarczone ryzykiem powaznych strat.
4. Podsumowanie
Przy gaszeniu pozarow wewnçtrznych (tj. w pomieszczeniach zamkniçtych) przy zastosowaniu mgly wodnej metodg gaszenia miejscowego najbardziej optymalnym stopniem jej rozpylenia bçdzie mgla wodna o srednicach kropli z przedzialu 200-600 mikrometrow. Przy czym w przypadku, gdy glownym celem podawania mgly wodnej jest opoznienie zjawiska rozgorzenia to nalezy dqzyc do tego, aby krople mgly wodnej byly jak najdluzej „zawieszone" w powietrzu - wowczas najbardziej opylana mgla wodna charakteryzowalaby siç srednicami z gornych wartosci wskazanego przedzialu tj. ok. 200 mikrometrow, czyli na granicy mgly wodnej klasyfikowanej jako klasa 1 i klasa 2.
Przy gaszeniu pozarow wewnçtrznych (w pomieszczeniach zamkniçtych) mglq wodnq metodg gaszenia objçtosciowego (w tym rowniez z podawaniem strefowym) najbardziej optymalnq mglq wodnq bçdzie mgla o srednicach kropli najmniejszych, jakie technicznie mozna uzyskac - nawet w granicach 10 mikrometrow, czyli w gornym zakresie klasy 1.
Wskazanie optymalnych parametrow prqdow rozproszonych do gaszenia miejscowego w obiektach zabytkowych
Na podstawie przeglqdu literatury oraz na podstawie wlasnych doswiadczen i analiz przewiduje siç, ze do tlumienia pozarow i chlodzenia gorqcych gazow pozarowych w drewnianych obiektach zabytkowych najbardziej odpowiedni zakres wartosci srednich srednic kropli powinien zawierac siç w przedziale 100-300 mikrometrow. Przy czym im bardziej urzqdzenie jest nakierowane na gaszenie (tlumienie) pozarow tym srednie srednice powinny byc wiçksze (przesuniçte w okolice 300 mikrometrow), a im bardziej jest nakierowane na chlodzenie przestrzeni pomieszczenia majqce na celu zapobiezenie rozgorzeniu to mgla powinna byc jak najdrobniejsza (w okolicach 100 mikrometrow).
Przy uzyciu urzqdzenia gasniczego mglowego w trybie dzialania rçcznego (gasnice przenosne i przewozne oraz hydranty mglowe) optymalnym prqdem gasniczym bçdzie czçsciowo zwarty prqd kroplisty. Prqdownica powinna umozliwic sformowanie prqdu gasniczego i skierowanie go dosc trafnie w ognisko pozaru. Nie moze to byc prqd zupelnie zwarty, bo moze on byc, przy wysokich cisnieniach na wyjsciu, niebezpieczny dla obslugujqcego prqdownicç na skutek sily odrzutu. Poza tym prqd zwarty wyrzucony pod wysokim cisnieniem moze spowodowac uszkodzenia mechaniczne gaszonych materialow. Z kolei zbyt silnie rozpylony prqd wodny bçdzie mial slaby zasiçg rzutu skutkujqcy tym, ze szybkie ugaszenie pozaru za pomocq takiego strumienia bçdzie mocno utrudnione. Wlasciwe
wartosci dotycz^ce rozpylenia i k^ta rozwarcie strumienia przy dzialaniu w trybie r^cznym b^dzie okreslone na podstawie badan w skali naturalnej na prototypie urz^dzenia gasniczego mglowego.
Literatura:
1. Orzechowski Z., Prywer J., Rozpylanie cieczy II wydanie WNT Warszawa 1991.
2. Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R., Mechanika plynow w inzynierii srodowiska WNT Warszawa 1997.
3. Szymczyk T., Rabiej S., Pielesz Tablice matematyczne fizyczne chemiczne astronomiczne, Wydanie IV, PARK 2001.
4. Ochrona przeciwpozarowa w budownictwie - Tuziemek Z., Wn^k W., Urz^dzenia gasnicze na mgl^ wodn^. - Wydawnictwo Informacji Zawodowej WEKA Warszawa 2002.
5. Fire Protection Handbook - Mawhinney J., WATER MIST FIRE SUPPRESSION SYSTEMS - NFPA 2003 - Nineteenth Edition.
6. NFPA 750 Standard on Water Mist Fire Protection Systems - 2006 Edition.
7. Zbrozek P. Swietnicki J., Zastosowanie technologii mgly wodnej w zabezpieczeniach przeciwpozarowych, IV Mi^dzynarodowa Konferencja Bezpieczenstwo Pozarowe Budowli -, Cz^stochowa 2-3 pazdziernika 2002 r.
8. Schick R., An Engineer's Practical Guide to Drop Size, Spraying Systems Co. 1997.
9. Zbrozek P. - Stale Urz^dzenia gasnicze na mgl^ wodn^. Architekt 2/08 -str. 36-40,
10. KAMIKA Zaklad Elektronicznej Aparatury Pomiarowej - AWK SYSTEM Analiza wielkosci cz^stek. K|iK 1999.
11. Grimwood P., Desmet K.: Tactical Firefighting. A Comprehensive Guide to Compartment Firefighting & Fire Training. version 1.1, Firetactics, Cemac, January 2003.
12. Flashover and Nozzle Techiques - 2002 Paul Grimwood & CEMAC (Crisis & Emergency Menagment Center) www.Firetactics.com
13. Droplet breakup energies and formation of ultra-fine mist - www.nfpa.org - Adiga K.C.- NanoMist Systems, LLC
14. Ultra-fine water mist as a total flooding agent: a feasibility study - fire.nist.gov -AdigaK.C.- NanoMist Systems, LLC
15. Water Mist for Protection of Heritage - Directorate of Cultural Heritage, Norway -COST Action C17 - Builit Heritage: Fire Loss to Historic Buildings
16. Bochenski I, Wplyw cisnienia wtrysku i lepkosci oleju nap^dowego na proces rozpylenia paliwa w silnikach z ZS, Publikacje PAN odzial w Lublinie
