CC BY
28
Н. Н. БРУШЛИНСКИЙ, д-р техн. наук, профессор, начальник Научно-исследовательского центра управления безопасностью сложных систем, Академия Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4; e-mail: [email protected]) В. Л. КАРПОВ, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России (Россия, Московская обл., 143903, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12)
A. X. КУРБАНОВ, нештатный исследователь, Высшая техническая школа пожарной безопасности МВД РУз (Узбекистан, 700017, г. Ташкент, Юнусабадский р-н, ул. Ш. Рашидова, 23; e-mail: [email protected])
М. X. УСМАНОВ, начальник Научно-исследовательского центра по проблемам пожарной безопасности, Высшая техническая школа пожарной безопасности МВД РУз (Узбекистан, 700017, г. Ташкент, Юнусабадский р-н, ул. Ш. Рашидова, 23; e-mail: [email protected])
B. Ю. ШИМКО, генеральный директор, ООО "СпецПожТех" (Россия, 115407, г. Москва, ул. Затонная, 4; e-mail: [email protected])
УДК 614.842.618
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ
Приведено описание новой технологии, позволяющей ослаблять тепловые потоки в десятки раз, на основе которой разработан теплозащитный экран "Согда". Представлены экспериментальные исследования, предшествующие созданию экранов, и теоретическое изучение процессов поглощения, отражения и отвода тепловых потоков теплозащитными экранами. Способ ослабления теплового потока и сами экраны запатентованы в России, Узбекистане, Англии, Франции, Германии, Китае и других странах. Экраны успешно эксплуатируются в России и Узбекистане при тушении сложных пожаров.
Ключевые слова: теплозащитный экран "Согда"; водная пленка; коэффициент ослабления теплового потока; поглощение и рассеяние излучения; инфракрасный и видимый спектры электромагнитных волн.
В решении проблемы обеспечения тепловой защиты на пожарах в XX веке достигнут большой прогресс. В качестве ограждающих конструкций широко применяются противопожарные стены, перегородки из бетона, кирпича, металла, различные виды теплозащитных экранов, водяных и комбинированных завес и т. п. [1-13]. Для тепловой защиты личного состава и боевой техники разработаны и применяются теплозащитные средства, принцип действия которых основан на том, что они отражают и/или поглощают лучистую энергию (водяные завесы, специальные виды боевой одежды, охлаждаемые водой поверхности и др.) [14,15]. Однако у каждого из этих видов теплозащитных средств, конструкций и материалов есть ряд существенных недостатков: противопожарные стены и перегородки имеют ограниченный предел огнестойкости, сильно утяжеляют конструкции зданий и сооружений; водяные завесы требуют большого расхода воды; средства, предназначенные для тепловой защиты личного состава и техники, либо недостаточно эффективно ослабляют тепловой поток, либо имеют существен-
ные ограничения по времени использования в условиях воздействия тепловых потоков большой интенсивности, либо громоздки, либо сами, нагреваясь, становятся источником теплового излучения.
Несмотря на повышенное внимание исследователей к проблеме поиска для теплозащитных ограждающих конструкций универсального материала широкого спектра назначений, в наибольшей степени лишенного указанных выше недостатков, прорывных решений данной проблемы до последнего времени предложено не было. Очевидно, что работа в этом направлении требует глубокого теоретического и экспериментального изучения физических процессов взаимодействия теплового излучения с различными видами материалов, их возможных композиций и конструктивных исполнений.
Усилиями узбекских и российских ученых и специалистов-практиков, совместная работа которых продолжается уже более 10 лет, разработана инновационная технология ослабления тепловых и газовых потоков, реализованная с помощью принципиально нового типа теплозащитных экранов "Согда".
© Брушлинский Н. Н., Карпов В. Л., Курбанов А. X., Усманов М. X., Шимко В. Ю., 2013
Способ ослабления теплового потока и сами экраны запатентованы в России, Узбекистане, Англии, Франции, Германии, Китае и ряде других стран [16-22]. Всемирная организация интеллектуальной собственности (г. Женева) в 2004 г. изобретение уникального способа ослабления тепловых потоков оценило Золотой медалью WIPO.
У теплозащитного экрана "Согда" рабочим элементом, взаимодействующим с тепловым потоком, являются две поверхности, расположенные относительно друг друга с зазором. Эти поверхности образованы из металлических сеток с заданными параметрами. Способность экрана ослаблять тепловой поток обеспечивается с помощью распыления воды специальными форсунками, расположенными в межсеточном пространстве. При подаче воды на сетках образуется водяная пленка, а в межсеточном пространстве — водопарокапельно-воздушная среда. Этот многофазный комплекс частично поглощает, частично отражает электромагнитные волны, преимущественно ИК-диапазона, и препятствует прохождению газов. Таким образом, ослабление теплового потока достигается за счет как теплофизиче-ских эффектов, так и оптических явлений.
Экспериментальные исследования
Для создания и внедрения в практику новых высокоэффективных экранов, действие которых основано на указанном выше способе ослабления тепловых потоков, актуальным становится разработка испытательного стенда для изучения свойств, оптимизации конструкции, технических характеристик и контроля качества этих экранов. Основными задачами оптимизации конструкции экранов является обеспечение:
• оптимального ослабления воздействующего теплового потока;
• оптимального расхода воды;
• оптимальной прозрачности экрана для видимого излучения;
• технологичности конструкции, ее оптимальной массы;
• надежности и эксплуатационной долговечности. Для решения данной задачи был разработан испытательный стенд, состоящий из источника теплового потока мощностью до 25 кВт/м2, передвижной платформы с модулем защитного экрана, средства подачи воды и измерительного комплекса (рис. 1). Модуль защитного экрана представляет собой две металлические сеточные поверхности размером 1 х 1 м, закрепленные параллельно друг другу на удерживающем их каркасе. Конструкция стенда позволяет использовать сетки из различных материалов и с разными размерами ячеек, заменять форсунки, изменять межсеточное расстояние и расстояние от ис-
Рис. 1. Общая конфигурация испытательного стенда: 1 — платформа; 2 — кузнечная печь; 3 — каркас; 4 — модуль защитного экрана; 5 — датчик теплового потока; 6 — манометр; 7 — водяной насос; 8 — измерительный прибор; 9 — направляющие рельсы
точника теплового потока до экрана, подавать на форсунки воду с расходом от 0,02 до 0,2 л/с на 1 м2 экрана при давлении до 1 МПа, обеспечивать измерение теплового потока в диапазоне 0,05-25 кВт/м2 с точностью не менее 0,01 кВт/м2. Для измерения температуры водной пленки на поверхностях сеток в диапазоне от 0 до 100 °С с точностью до 0,1 °С был использован специально разработанный термощуп.
Исходя из условий распыла, требований к его геометрии и качеству и технологичности изготовления форсунки была разработана форсунка специального вида. Расход воды при использовании такой форсунки определялся только диаметром ее канала йи давлением подаваемой в нее воды. Определение диаметра и статистического распределения капель, которые необходимы для проведения дальнейших теоретических расчетов, производилось на специальном стенде (рис. 2). На горизонтальной плоскости, находившейся ниже оси распыления на 100 см, через каждые 20 см были установлены одинаковой формы стаканы, в которых осаждалась разбрызгиваемая форсункой вода. Определение диаметров капель производилось с помощью микроскопа. В ка-
Форсунка
300 см
Улавливающие емкости
Рис. 2. Иллюстрация к способу определения статистического распределения капель с разными диаметрами в потоке, создаваемом форсункой
честве подложки, используемои для осаждения капель, применялась стеклянная пластина размером 10x15 см с несмачиваемоИ поверхностью (на нее был нанесен слоИ технического масла толщиноИ 2-3 мкм). Пластину, ориентированную горизонтально, в течение 1 с удерживали непосредственно над этими стаканами. При установленных параметрах сеток расход воды Q, поступающей в секунду в межсеточное пространство, и расстояние между сетками к являются параметрами, определяющими своИст-ва экрана, влияющие на степень ослабления теплового потока.
Приведем результаты наиболее характерных экспериментов при использовании форсунок с расходом воды 38, 65 и 80 г/с (при давлении подава-емоИ воды 0,6 МПа) при максимальном значении плотности падающего на экран теплового потока Р0 = 25 кВт/м2. Для каждоИ форсунки фиксировалось расстояние между сетками к, равное 5, 10, 15 и 20 см. Визуальные наблюдения показали, что при расходе воды 38 г/с соударяющиеся с сильно нагретыми сетками капли частично отражаются, распадаясь на более мелкие, а частично испаряются. При расходах 65 г/с эти процессы сопровождаются появлением на сеточных поверхностях отдельных во-допленочных образованиИ. При расходе воды 80 г/с процесс многократного отражения капель, опреде-ляемыИ направлением и величиноИ вектора импульса каждоИ капли, при определенных расстояниях между сетками приводит почти к скачкообразному образованию сплошных пленок воды, которая стекает по поверхности сеток.
Результаты измерениИ коэффициента ослабления теплового потока к в зависимости от расстояния между сеточными поверхностями и расхода воды Q, подаваемоИ форсунками в межсеточное пространство, приведены на рис. 3. Здесь к = Р0/Р (где Р0 и Р — значения теплового потока, соответственно падающего на экран и проходящего через него).
Данные измерениИ зависимости к от расстояния между экраном и жерлом печи при разных расходах воды приведены в табл. 1. Все измерения проводились с использованием экрана, имеющего оптимальное межсеточное расстояние (15 см).
Измерения температур пленок воды на сеточных поверхностях теплозащитного экрана показали, что они на первоИ фронтальноИ поверхности экрана, на которыИ падает тепловоИ поток непосредственно от источника огня, уменьшаются с 85 °С при плотности падающего теплового потока 25 кВт/м2 и при удалении модуля экрана от жерла печи на расстояние Я = 75 см до 17 °С (заметим, что исходное значение температуры подаваемоИ на охлаждение воды 15 °С) при тепловом воздеИствии менее 4 кВт/м2 и при Я = 225 см. На второИ поверхности экрана на-
к -130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20
е=8о" 1-
65С —___
38' ¡=— —
0
10
15
20
к, см
Рис. 3. Зависимость коэффициента ослабления теплового потока к от межсеточного расстояния к и расхода воды Q (указан на кривых)
Таблица 1. Зависимость к от расстояния между экраном и жерлом печи £ при разных расходах воды
№ п/п Расход воды Q, г/с Значение показателя при расстоянии Я, см
75 125 175 225
1 38 40 37 35 37
2 80 130 175 285 310
блюдалось снижение температуры пленки воды от 21 °С при Я = 75 см до 15 °С при Я = 125 см.
Измерения степени ослабления тепловых потоков при их значениях, значительно превышающих 25 кВт/м2, проводились в условиях, приближенных к условиям реального пожара, с помощью теплозащитного экрана при оптимальном расходе воды (режим "мокроИ сетки") и оптимальноИ конструкции экрана. На первом этапе осуществлялся поджиг сложенного из деревянных железнодорожных шпал штабеля размером 2x3x1,6 м с горючеИ нагрузкоИ 667 кг/м2. Температура пламени достигала 1100 °С. Максимальное значение плотности теплового потока на расстоянии 0,8 м от источника огня составило 65 кВт/м2, и только на расстоянии свыше 6 м это значение упало ниже 4,2 кВт/м2. Было зарегистрировано, что при максимальноИ плотности падающего на экран теплового потока 65 кВт/м2 наибольшее значение плотности проходящего сквозь него теплового потока не превысило 1 кВт/м2 (к ~ 65 раз). На втором этапе определение теплозащитноИ эффективности экранов производилось в условиях горения пролива сжиженного природного газа (СПГ) в непосредственноИ близости от экрана. Измерения показали, что в этом случае температура пламени достигала 1800 °С. Показания датчиков теплового потока были таковы: плотность падающего на экран теплового потока превышала 220 кВт/м2, а прошедшего через экран теплового потока была не более 4,8 кВт/м2 (к ~ 45 раз).
Теоретические исследования
Теоретическое изучение процессов поглощения, отражения и отвода тепловых потоков данным теплозащитным экраном проведено для качественной физически обоснованной теоретической модели.
Упрощенный вид экрана (рис. 4) — это две металлические сетки I и III (длина и высота которых равна l), расположенных друг от друга на расстоянии h. В межсеточное пространство экрана с помощью форсунки II подается распыляемая вода. Для построения качественной теоретической модели сделаем некоторые допущения: процессы, происходящие на каждом конструктивном элементе системы, разделены по времени; между элементами конструкции происходит постоянный лучистый и конвективный теплообмен. Здесь следует отметить, что энергия горения передается в окружающую среду в основном посредством излучения пламенем пожара электромагнитных волн. При этом, в связи с тем что температуры горения веществ и материалов не превышают 1100-1800 °С, в соответствии с оптической теорией излучения подавляющая часть энергии излучения (теплового потока) пожара приходится на инфракрасную область электромагнитных волн (ИК-спектр), длины волн которых значительно больше длин волн видимого спектра.
Процессы поглощения и рассеяния излучения плотностью Р0 препятствием в виде одной металлической сетки зависят прежде всего от отношения площади металлических участков к общей площади сетки, выражаемого коэффициентом пропускания а0. Для упрощения расчетов примем, что а0 = 0,5. Коэффициент пропускания такой сетки без охлаждения ее водой должен был бы равняться также 0,5.
Однако очевидно, что через короткий промежуток времени процессы поглощения ИК-излучения металлическими участками сетки приводят к повышению ее температуры, которую с достаточной точностью для инженерных расчетов можно вычислить по формуле
Т = ßi = а0 р„,
(1)
где ам — коэффициент поглощения (поглощение ИК-излучения металлами определяется коэф-
I
III
□ II
фициентом серости, который для неполированных и окисленных металлических поверхностей лежит в пределах 0,8-0,95); а — постоянная Стефана-Больцмана; а = 5,6687 10-8 Вт/(м2-К4); ет — коэффициент теплового излучения, который для неполированных и окисленных поверхностей сталей в интервале температур 500-1100 К составляет от 0,78 до 0,87.
Нагретая поверхность сетки представляет собой источник вторичного теплового излучения с энергетической светимостью:
Qe =Е т а (Т 4 - Т14),
(2)
где Т1 — температура окружающей среды, находящейся в тепловом равновесии с исследуемой поверхностью.
Таким образом, плотность потока излучения, прошедшего через сетку, можно определить по формуле
& = (1 -а) Р 0 + &. (3)
Однако, как видно из уравнения (2), плотность потока вторичного излучения зависит от температуры как самой сетки, так и окружающей среды, на которые в свою очередь влияют режимы теплообмена на отдельных элементах конструкции.
При наличии второй сетки с а0 = 1/2 обе сетки в начальный момент времени ослабят параметр Р0 в четыре раза, но затем, по мере нагревания самих сеток, сами станут источником вторичного теплового излучения. При достаточно высоких значениях Р0 сетки разрушатся.
В случае подачи воды в межсеточное пространство, в зависимости от плотности потока тепла и расхода воды, в системе реализуются различные режимы теплозащиты. Если скорость подачи воды на поверхность сетки I меньше скорости ее испарения, то реализуется случай, когда на ней не образуется пленка воды. Назовем этот случай режимом "сухой сетки". В противном случае часть поступившей на сетку воды будет сливаться по ней, образуя сплошную водяную пленку, — режим "мокрой сетки".
Для случая "сухой сетки", когда поступающая на ее орошение вода полностью испаряется, ослабление теплового потока AQf за счет нагревания воды от начальной температуры 20 °С до температуры кипения и испарения воды на сетке будет определяться по формуле
AQi = V1c/Seff [Х+ Ср (Г100 - T20)],
(4)
Рис. 4. Схематическое изображение теплозащитного экрана
где Уу — скорость поступления воды на сетку, кг/с; — площадь поверхности сетки, с которой испаряется вода, м2;
X—удельная теплота парообразования, кДж/кг; Ср — удельная теплоемкость воды, Дж/(кг-К).
т
Для случая "мокрой сетки" правая часть выражения (4) преобразуется следующим образом:
СР (Тш - Т0)] + ^Ср (Тур - То), (5)
с -р 100 ,,
о су т-р
где У1 — скорость испарения воды с поверхности сетки, кг/с;
У-
(причем У-у + У1Р = У), кг/с.
1Р — скорость стекания пленки толщиной Н1Р
ур
температура, определяемая одномерным
уравнением теплопроводности: 1 йТ й2Т
2
0 < х<к, г >0
а йг ¿х
с граничными условиями:
= &Е - П1Р (Т100 - Т0 ) + С р У1Р (Т0 - Т) ;
(6)
к — йх
; = 0
к — йх
= -ПРВ (т - т0) + СРУ1Д (Т0 - Т);
; = к
= Т).
Здесь Q1E = е Т а (Т14 - Т04) (где Т1 определяется по формуле (1)); Т0 = 20 °С); ^1Р—константа теплообмена сетки с поверхностью водяной пленки; ^РВ — константа теплообмена внешней поверхности воды с окружающей средой; У1В—скорость подвода воды на внешнюю поверхность водяной пленки.
Учет наличия второй сетки проводится с помощью формул, аналогичных (5) и (6), как для случая "мокрой сетки".
Ослабление теплового потока из-за оптических процессов рассеяния ИК-излучения на пленках воды, образующихся на сетках, и на летящих каплях воды в межсеточном пространстве для упрощения расчетов здесь не рассматривается. Для проведения численных расчетов необходимые параметры были взяты из экспериментов. Для численных оценок коэффициента ослабления потока теплового излучения теплозащитным устройством были получены количественные оценки средней скорости подвода воды на сетки, средней скорости движения капель и общего количества капель в объеме межсеточного пространства в каждый момент времени.
Сравнение теплофизических расчетов и экспериментальных данных для двух предельных случаев расхода воды 80 г/с ("мокрая сетка") и 38 г/с ("сухая сетка") при максимальной плотности падающего теплового потока приведены в табл. 2.
Очевидно, что наблюдаемая большая степень различий в расчетных значениях коэффициента ослабления (для случая "мокрой сетки" к в 2,6 раза больше, чем для случая "сухой сетки", при разнице в расходе воды всего лишь в 2 раза) обусловлена наличием при расходе воды 80 г/с водных пленок на сеточных поверхностях.
Таблица 2. Расчетные и экспериментальные значения к для двух сеток при Р0 = 22 кВт/м2 при разных расходах воды
№ Расход Значение козе )фициента ослабления Расхож-
п/п воды, г/с расчетное экспериментальное дение, %
1 80 88 130 30
2 38 33 40 18
Здесь следует отметить, что экспериментально полученные значения к для обоих случаев различаются более чем в 3 раза. Следует также отметить, что ошибка между расчетными и экспериментально полученными значениями к в случае "мокрой сетки" почти в 2 раза выше, чем аналогичная ошибка для случая "сухой сетки". Это свидетельствует о том, что предложенная упрощенная теоретическая модель, учитывающая только теплофизические явления, приводящие к ослаблению падающего на экран излучения от пожара, более адекватно описывает случай "сухой сетки".
Причин наличия этих ошибок несколько. Первой из них является искусственное разделение тепло-и массообмена на отдельных элементах конструкции. Другая причина расхождения теоретических и экспериментальных результатов заключается в том, что в данной модели не рассмотрены в полном объеме оптические эффекты, влияющие на рассеяние излучения каплями воды, создаваемыми форсунками в межсеточном пространстве, для обоих рассматриваемых случаев, и изъятие из теоретического рассмотрения оптических эффектов на водных пленках при расходах воды 80 г/с и более (случай "мокрой сетки"), что и дает наиболее существенный вклад в различие между расчетными и экспериментальными данными для обоих случаев.
Проведенные во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНИИПО МЧС России) теоретические и экспериментальные исследования [23] показали, что для случая "мокрой сетки" поверхности пленок воды, стекающих по сеткам, не являются гладкими: на них образуются характерные возмущения в виде поверхностных волн. Авторами было показано, что геометрические параметры этих возмущений на поверхностях пленок воды сравнимы с длинами волн ИК-спектра [23]. Из оптической теории [24] известно, что в таких случаях процессы рассеяния электромагнитных волн, в данном случае ИК-диапазона, на таких возмущениях среды становятся доминирующими. Это позволило авторам прийти к заключению, что в ослаблении экраном теплового потока, подавляющая часть энергии которого принадлежит ИК-излучению, существенная роль отводится процессам рассеяния длинноволнового излучения
г = 0
ИК-диапазона на поверхностных волнах, образующихся на пленках воды, стекающих по сеточным поверхностям.
Таким образом, комплекс теоретических и экспериментальных исследованиИ позволяет дать трактовку вышеприведенным экспериментальным данным — существенным различиям в зависимости к от величины падающего на экран теплового потока при разных расходах воды (см. табл. 1), а также эффекту спектральноИ избирательности ослабления электромагнитного излучения пожара теплозащитными экранами "Согда".
Как показывают полученные экспериментальные данные (см. табл. 1), при использовании форсунки с расходом воды 38 г/с значения к существенным образом не меняются с уменьшением плотности падающего на экран теплового потока (т. е. с увеличением расстояния от жерла печи). Для случая использования форсунки с расходом воды 80 г/с значения к существенно возрастают с увеличением расстояния от источника огня. Для первого случая с "сухоИ сеткоИ" можно утверждать, что результаты эксперимента (см. табл. 1) и теплофизических расчетов (см. табл. 2), проведенных без учета оптических явлениИ, адекватно описывают физику процесса ослабления падающего на экран теплового потока независимо от его величины. Образующаяся же на сеточных поверхностях водная пленка для случая "мокроИ сетки" (расход воды 80 г/с) приводит, как было выше указано, к резкому возрастанию роли оптических явлениИ для ИК-излучения на самих водных пленках, не учтенных в наших тепло-физических расчетах. В связи с этим можно утверждать, что имеющие место зависимости геометрических и динамических параметров возмущениИ на поверхности пленок от вязкости и коэффициента поверхностного натяжения воды, значения которых в значительноИ степени зависят от температуры водноИ среды, явно проявляются при экспериментальном изучении в существенном возрастании значения к с увеличением расстояния до печи (см. табл. 1, поз. 1), т. е. с уменьшением температуры водноИ пленки от 85 °С при плотности теплового потока 25 кВт/м2 до 17 °С при тепловом воздеИ-ствии менее 4 кВт/м2.
Спектральная избирательность в степени ослабления коротко- и длинноволнового спектров электромагнитного излучения наиболее распространенных классов пожаров, позволяющая сохранять силуэтную видимость обстановки в зоне горения, является важным достоинством теплозащитных экранов "Согда", так как дает возможность оперативно оценивать меняющуюся обстановку на месте пожара и быстро принимать необходимые решения.
Физические процессы определяют образование возмущениИ на поверхности водных пленок (в том числе и поверхностных волн) с такими геометрическими параметрами, которые сравнимы с длинами волн ИК-излучения наиболее распространенных классов пожаров. Именно образование подобных возмущениИ, как это было указано выше, и является ответственным за сильное возрастание роли процессов рассеяния в ослаблении ИК-излучения, проходящего через теплозащитныИ экран. Однако, как известно из оптическоИ теории, эти возмущения с геометрическими параметрами, значительно превосходящими длины волн видимого диапазона излучения пожара — коротковолнового оптического диапазона, не могут существенно влиять на процесс ослабления видимого света при прохождении его через экран с водными пленками на сеточных поверхностях из-за оптических процессов. В последнем случае очевидно, что только соотношение между суммарноИ площадью просвета ячеек сетки и общеИ площадью сетки, выражаемое коэффициентом а0, играет определяющую роль в ослаблении видимоИ части излучения пожара. Статистическое распределение по размерам образующихся в межсеточном пространстве капель воды при подаче ее под давлением 0,4-0,6 МПа, распыляемых форсунками, показывает, что они также не могут сколь-нибудь заметным образом повлиять на процесс прохождения видимого излучения через экран ввиду того, что подавляющая часть капель воды имеет размеры, более чем на два порядка превышающие длины волн видимого спектра.
Как рассматривалось выше, при а0 = 0,5 половина энергии падающего излучения, в том числе и видимого диапазона, не будет проходить через сеточное препятствие, поскольку поглощается металлом сетки. В случае непрерывного охлаждения водоИ металл сетки не будет нагреваться и не станет источником вторичного излучения. Таким образом, для видимого света экран с двумя сеточными поверхностями в случае как "сухоИ", так и "мокроИ" сеток будет представлять собоИ препятствие, которое ослабляет его всего лишь в 4 раза, что в 10 и более раз меньше коэффициента ослабления ИК-части спектра падающего на экран излучения.
Выводы
1. На основе теоретических исследованиИ, базирующихся на теории теплофизических и оптических процессов, происходящих при взаимодеИствии электромагнитного излучения ИК-диапазона и видимого спектра с различными видами материалов, разработан теплозащитныИ экран "Согда" принципиально нового типа, представляющиИ собоИ ограждающую конструкцию из двух металлических се-
точных поверхностеИ, между которыми с помощью форсунок регулируемым образом распыляется вода.
2. С помощью экспериментальных исследованиИ на разработанном и созданном стенде, генерирующем тепловые потоки до 25 кВт/м2:
• произведена оптимизация характеристик теплозащитного экрана, что позволило обнаружить скачкообразное увеличение коэффициента ослабления теплового потока к более чем в 100 раз при достижении расхода воды, подаваемоИ в его систему водоорошения, 80 г/с в расчете на 1 м2 экрана, сопровождаемое образованием водных пленок на сеточных поверхностях. При этом выявлено, что дальнеИшее увеличение расхода воды не приводит к заметному изменению значения к;
• выявлено существенное различие в зависимости к от величин теплового излучения при разных расходах воды, не приводящих и приводящих к образованию водных пленок на сеточных поверхностях экрана;
• обнаружено также, что видимыИ спектр излучения пожара ослабляется лишь в несколько раз,
оставляя экран полупрозрачным, что позволяет наблюдать за обстановкоИ в зоне пожара и быстро принимать оперативные решения.
3. Испытания экранов в условиях, близких к условиям реальных пожаров, показали, что они сохраняют высокую степень ослабления тепловых потоков при значениях плотности тепловых потоков, значительно превышающих те, что были достигнуты на испытательном стенде. При горении твердых горючих материалов (наиболее часто это — деревянные конструкции), когда значения плотности тепловых потоков не превышают 70 кВт/м2, экраны способны ослаблять их не менее чем в 65 раз (к ~ 65). В условиях горения пролива СПГ с максимальными значениями генерируемых тепловых потоков более 220 кВт/м2 экраны способны ослаблять тепловоИ поток не менее чем в 45 раз (к ~ 45 раз).
4. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследованиИ дано научное обоснование экспериментально обнаруженноИ спектраль-ноИ избирательности экраном степени ослабления электромагнитного излучения видимого спектра и ИК-диапазона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ройтман М. Я. Противопожарное нормирование в строительстве. — М. : Стройиздат, 1985.
— 590 с.
2. Романенков И. Г., Зигерн-Корн В. Н. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов. — М. : Стройиздат, 1984. — 240 с.
3. Петров С. В., ШоринА. Ф. Теплозащита в металлургии : справочник. — М.: Металлургия, 1981.
— 120 с.
4. Пат. 2620344 C2 Франция. МКИ А62С 2/02. Mobile Fire-fighting structures / Jacques R. — № 19870012740; заявл. 14.09.1987 г.; опубл. 17.03.1989 г.
5. Пат. 2276543 C2 Великобритания. МКИ А62С 2/068/08. Radiant Heat Shield / William S. — № 19940006004; заявл. 25.03.1994 г.; опубл. 05.10.1994 г.
6. Пат. 2749517 C2 Франция. МКИ А62С 2/10. Thermally insulated fire screens / Tonkia R. — № 19960007181; заявл. 05.06.1996 г.; опубл. 12.12.1997 г.
7. Пат. 5390729 F2 США. МКИ F28D 5/02. Refractory element / Akira S., Masahiro S., Toshikazu Y., Masao O., Toshihiro S. —№ 08/111.910; заявл. 26.08.1993 г.; опубл. 21.02.1995 г.
8. Пат. 6357507 E06 США. МКИ E06B 7/16. Curtain arrangement for preventing spread of smoke / Stoebich J., Siller S., Luther J., Schellenberger W., Wegner T., Linde H., Konrad R., Ciop M. — № 09/235,991; заявл. 22.01.1999 г.; опубл. 19.03.2002 г.
9. Пат. 5862851 E06 CША. МКИ E06B 9/08. Curtain arrangement for preventing spread of smoke / Stoebich J., Siller S., Luther J., Schellenberger W., Wegner T., Linde H., Konrad R., Ciop M. — № 6209424; заявл. 22.03.1996 г.; опубл. 26.01.1999 г.
10. Пат. 4077474 E06 СТА. МКИ E06B 5/16. Fire and Smoke shut off system / Tadashi H. — № 656,693; заявл. 09.02.1976 г.; опубл. 07.05.1978 г.
11. Пат. 2266051 А62 Великобритания. МКИ А62С 2/00. Metal net and metal tangle anti-fire applications / Nevin L. —№ 19920004022; заявл. 25.02.1992 г.; опубл. 20.10.1993 г.
12. Пат. 2284202 А62 Российская Федерация. МПК А62С 2/10. Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков на защищаемые объекты / Страхов В. Л., Крутов А. М., Мельников А. С. — № 2004138844/12; заявл. 30.12.2004 г.; опубл. 27.09.2006 г.
13. Пат. 2284205 C2 Российская Федерация. МПК А62С 2/10. Огнезащитный экран-чехол / Страхов В. Л., Крутов А. М., Мельников А. С. — № 2004138844/12; заявл. 30.12.2004 г.; опубл. 27.09.2006 г.
14. ИсхаковХ. И. К оценке устойчивости пожарных автомобилей к воздействию тепловых потоков пожара // Известия вузов. Машиностроение. — 1985. — № 4. — С. 87-90.
15. Исхаков X. И., Пахомов А. В., Каминский Я. Н. Пожарная безопасность автомобиля. — М. : Транспорт, 1987. — 86 с.
16. Пат. IAP 02163 Республика Узбекистан. МПКА62С2/08. Иссиклик окимини сусайтириш усули ва ут учириш дастаги операторини химоя килиш учун курилма/ Усманов М. X. — № 20010949; заявл. 12.05.2001 г; опубл. 05.06.2002 г.
17. Пат. 2182024 Российская Федерация. МПК А62С 2/08. Способ ослабления потоков энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков и устройства к лафетному стволу для создания защитного экрана от потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков / Усманов М. X. — № 2000105809; заявл. 13.03.2000 г.; опубл. 10.05.2002 г.
18. Европейский патент 1181955. МПК А62С 2/08. Method for attenuating a heat flow and device for realising the same / Usmanov M. Kh. — № 00918546.3; заявл. 25.04.2000 г.; опубл. 29.09.2004 г.
19. Евразийский патент 003013. МПК А62С 2/08. Способ ослабления теплового потока и устройства защиты пожарного ствола / Усманов М. X., Брушлинский Н. Н. — № 200101175; заявл. 25.04.2000 г.; опубл. 26.12.2002 г.
20. Пат. 654662 Украина. МПК А62С 2/08. Спойб послаблення теплового потоку та пристрш для захиту оператора пожежного / Усманов М. X., Брушлинский Н. Н. — № 2001128328; заявл. 25.04.2000 г.; опубл. 15.04.2004 г.
21. Пат. ZL00807207.8 Китай. МПКА62С2/08. The method ofweakening heat flow and thermal protective fence for firefighter personal / Усманов М. X., Брушлинский Н. Н. — № 03.140.633.5; заявл. 25.04.2000 г.; опубл. 31.03.2004 г.
22. Пат. НК 1044300 Гонконг. МПК А62С 2/08. Method for attenuating a heat flow and device for realizing the same / Усманов М. X., Брушлинский Н. Н. —№ 02104508.5; заявл. 25.04.2000 г.; опубл. 15.04.2005 г.
23. Пат. 2156628 Российская Федерация. МПК А62С 2/08. Способ создания противопожарной завесы /БрушлинскийН. Н., Усманов М. X., Копылов Н. П., Серебренников Е. А. —№ 99114862/12; заявл. 07.07.1999 г.; опубл. 27.09.2000 г.
24. Борн М., Вольф Э. Оптика. — М. : Наука, 1973. — 719 с.
Материал поступил в редакцию 24 января 2013 г.
— English
INNOVATIVE TECHNOLOGY OF WEAKENING OF HEAT AND GAS FLOWS
BRUSHLINSKIY N. N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief of Science and Research Center of Control Safety Complex Systems of State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
KARPOV V. L., Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia (VNIIPO, 12, Moscow Region, Balashikha, 143903, Russian Federation)
KURBANOV A. Kh., Freelance Researcher, Higher Technical School of Fire Safety of Ministry of Internal Affairs of Uzbekistan Republic (Sh. Rashidova St., 23, Yunusabadskiy Region, Tashkent, 700017, Uzbekistan; e-mail address: [email protected])
USMANOV M. Kh., Head of Fire Research Centre, Higher Technical School of Fire Safety of Ministry of Internal Affair of Uzbekistan Republic (Sh. Rashidova St., 23, Yunusabadskiy Region, Tashkent, 700017, Uzbekistan; e-mail address: [email protected])
SHIMKO V. Yu., General Director, OOO SpecPozhTekh (SpecPozhTekh Ltd.) (Zatonnaya St., 4, Moscow, 115407, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
ABSTRACT
This article presents description of the new innovative technology, developed by the Uzbek and the Russian experts, allow weakening the heat flows in dozens of times. The development is presented in
the "Sogda" heat-proofing screen which consists of two parallel metal grids strained over metal frames. Ability of the screen to weaken the heat flow is provided by means of water dispersion from special nozzles located between two parallel fixed grids. In process of water supply the system creates water film on the surface of grids and fills the inter-grids space by water-vapor-drops and air mixture. This complex is partially absorbs and partially reflects electromagnetic waves, mainly of infrared range, and prevents from gases passing. Weaken of the heat flow in dozens of times is achieved by thermalphysic effects as well as optical phenomenon.
In this article are also described experimental researches preceding creation of screens and theoretical researches of processes of absorption, reflection and weakening of heat flows by heat-proofing screens.
The method of weaken of the heat flow and the thermal protective screens are patented in Russia, Uzbekistan, England, France, Germany, China, USA, and other countries. The screens are successfully operated in extinguishing of complex fires in Russia and Uzbekistan.
Keywords: "Sogda" heat- proofing screens; water film; attenuation coefficient of heat flow; absorption and dispersion of radiation; infrared and visible spectrum of electromagnetic waves.
REFERENCES
1. Roytman M. Ya. Protivopozharnoye normirovaniye v stroitelstve [Fire protection norm in the construction], Moscow, Stroyizdat Publ., 1985. 590 p.
2. Romanenkov I. G., Zigern-Korn V. N. Ognestoykost stroitelnykh konstruktsiy iz effektivnykh mate-rialov [Fire resistance of building construction using effective materials]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1984. 240 p.
3. Petrov S. V., Shorin A. F. Teplozashchita v metallurgii: spravochnik [Thermal protection in the metallurgy. Handbook]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1981. 120 p.
4. Jacques R. Mobile fire-fighting structures, Patent FR, no. 2620344, 1989.
5. William S. Radiant Heat Shield. Patent GB, no. 2276543, 1994.
6. Tonkia R. Thermally insulated fire screens, Patent FR, no. 2749517, 1997.
7. Akira S., Masahiro S., Toshikazu Y., Masao O., Toshihiro S. Refractory elements, Patent US, no. 5390729, 1995.
8. Stoebich J., Siller S., Luther J., Schellenberger W., Wegner T., Linde H., Konrad R., Ciop M. Curtain arrangement for preventing spread of smoke, Patent US, no. 6357507, 2002.
9. Stoebich J., Siller S., Luther J., Schellenberger W., Wegner T., Linde H., Konrad R., Ciop M. Curtain arrangement for preventing spread of smoke, Patent US, no. 5862851, 1999.
10. Tadashi H. Fire and Smoke shut off system, Patent US, no. 4077474, 1978.
11. Nevin L. Metal net and metal tangle anti-fire applications, Patent GB, no. 2266051, 1993.
12. Strakhov V. L., Krutov A. M., Melnikov A. S. Sposob oslableniya vozdeystviyapotoka energii v vide sveta, tepla i konvektivnykh gazovykh potokov na zashchishchayemyye obyekty [The method of attenuation the impact of energy flow in the form of light, heat and convective gas flows to protect facilities]. Patent RU, no. 2284202, 2006.
13. Strakhov V. L., Krutov A. M., Melnikov A. S. Ognezashchitnyy ekran-chekhol [Fire-protective covering screen]. Patent RU, no. 2284205, 2006.
14. Iskhakov Kh. I. K otsenke ustoychivosti pozharnykh avtomobiley k vozdeystviyu teplovykh potokov pozhara [Assessing the sustainability fire engines to heat flux generated from fire]. Izvestiya vuzov, Mashinostroyeniye — Proceedings of Higher Educational Institutions, Machine Building, 1985, no. 4, pp. 87-90.
15. Iskhakov Kh. I., Pakhomov A. V., Kaminskiy Ya. N. Pozharnaya bezopasnost avtomobilya [Fire safety of Fire engines]. Moscow, Transport Publ., 1987. 86 p.
16. Usmanov M. Kh. The method of weakening heat flow and thermal protective equipments for firefighters. Patent UZ, no. IAP 02163, 2001 (in Uzbek).
17. Usmanov M. Kh. Sposob oslableniya potoka energii v vide sveta tepla i konvectivenykh gasovykh potokov i ustroystva k lafetnomu stvolu dlya zashchitnogo ekrana otpotoka energii v vide sveta, tepla i kon-vectivnykh gasovykh potokov [The method of attenuation of the thermal heat flux and convective gaseous flows, and it is thermal protective fence against the conversive gaseous flows]. Patent RU, no. 2182024, 2000.
18. Usmanov M. Kh. Method for attenuating a heat flow and device for realising the same. Patent EP, no. 1181955,2004.
19. Usmanov M. Kh., Brushlinskiy N. N. Sposob oslableniya teplovogopotoka i ustroystva zashchitypo-zharnogo stvola [The method of weakening heat flow and thermal protective fence for firefighter personal]. Patent EA, no. 003013, 2004.
20. Usmanov M. Kh., Brushlinskiy N. N. The method of weakening heat flow and thermal protective fence for firefighter personal. Patent UA, no. 654662, 2004 (in Ukrainian).
21. Usmanov M. Kh., Brushlinskiy N. N. The method of weakening heat flow and thermal protective fence for firefighter personal. Patent CN, no. ZL00807207.8, 2000.
22. Usmanov M. Kh., Brushlinskiy N. N. Method for attenuating a heat flow and device for realizing the same. Patent HK, no. NK1044300, 2000.
23. BrushlinskiyN.N., Usmanov M. Kh., KopylovN. P., Serebrennikov Ye. A. Sposob sozdaniyaprotivo-pozharnoy zavesy [Method of forming fire curtains]. Patent RU, no. 2156628, 2000.
24. Born M., Volf E. Optika [Optics]. Moscow, Nauka Publ., 1973. 719 p.
