CC BY
12
УДК 536.2.02
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ СРЕДЫ ОГНЕТУШАЩИХ МИКРО- И НАНОАЭРОЗОЛЕЙ
1ВАХРУШЕВ А. В., 2ГОЛУБЧИКОВ В. Б., 2ЖИВОТКОВ А. В.
1Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
2
ООО «Научно-производственная фирма «НОРД», 614990, г. Пермь, ул. Левченко, 1
АННОТАЦИЯ. В работе приводятся результаты изменения оптической прозрачности среды микро- и нано дисперсных твердофазных огнетушащих аэрозолей. Оптическая прозрачность влияет на безопасную эвакуацию, возможность поиска пострадавших оперативную оценку аварийной ситуации и характера разрушений. Прозрачность варьируется за счет фильтрации среды в пористых материалах с высокой термостойкостью. Для испытаний фильтров разработан экспериментальный генератор огнетушащего аэрозоля, позволяющий использовать образцы практически любого габарита и конфигурации. В качестве пористых сред используются: высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ), базальтовый иглопробивной материал (ИПМ), керамический пористый порошковый материал (ППМ). Наиболее перспективным является ППМ материал, который сочетает высокую оптическую прозрачность многофазной среды, высокую огнетушащую эффективность и способность выдерживать наибольшую фильтрующую нагрузку. Представлены кривые эффективности улавливания твердой фазы для трех вариантов пористых сред, закономерности изменения оптической прозрачности среды от концентрации фильтрованного аэрозоля. Впервые построена характеристика, связывающая дистанцию видимости и параметр оптической прозрачности среды.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: микро- и наноаэрозоли, фильтрация, оптическая прозрачность, дистанция видимости.
ВВЕДЕНИЕ
Важная особенность использования аэрозольного пожаротушения - снижение прозрачности среды в защищаемых (и смежных к ним) помещениях. За счет подачи твердофазных огнетушащих аэрозолей происходит ухудшение контрастности обозрения, снижение и потеря видимости окружающих предметов, ориентирования человека в пространстве, что существенно затрудняет эвакуацию людей [1]. Осложняется поиск людей и оценка ситуации отрядами пожарной разведки. Снижается видимость источников света -лампочек и указателей путей эвакуации до 1,5 - 2,0 м [2, 3].
В свою очередь, оптически-прозрачная огнетушащая среда дает возможность оценить характер развития событий, разрушений и принять оперативные меры, что является одной из основных характеристик безопасности аэрозоля.
Основные оптические явления, происходящие в аэрозолях, сводятся к поглощению лучистой энергии и рассеянию ее по направлениям. Свет наиболее эффективно рассеивается частицами, размер которых является таким же по величине, как длина волны падающего света. Следовательно, рассеяние света напрямую зависит от размерности частиц [4]. Кроме того, свет рассеивается тем больше, чем выше концентрация огнетушащего аэрозоля в защищаемом помещении, количество твердой дисперсной фазы в единице объема.
Целью данной работы является, в развитие предыдущих исследований авторов [5 - 7], экспериментальное исследование оптической прозрачности среды огнетушащих аэрозольных сред.
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ
Наиболее перспективный, по мнению авторов, способ улучшения видимости внутри помещения - снижение содержания твердой дисперсной фазы (в огнетушащем аэрозоле) путем частичного ее удаления - фильтрации через пористые среды. Для фильтров сформирован перечень характеристик: термостойкость до 1000 °С, высокая фильтрующая способность, стойкость к эрозионному воздействию потока, промышленная серийность (стабильности характеристик).
Для испытания фильтрующих материалов был разработан экспериментальный генератор огнетушащего аэрозоля с фильтрующим блоком. Конструкция позволяет испытывать фильтры любой конфигурации: диск, труба, холст (рис. 1). В ходе испытаний определяется масса фильтра до и после испытаний.
№9
0219
7 14,1 ш Л А
- ¿ЖУ/;'«'-/-?
б)
в)
1 - цилиндрический корпус генератора;
2 - быстросъемная крышка;
3 - заряды АОС;
4 - внутренний корпус;
5 - шпилька для крепления корпуса и заряда к крышке;
6 - сопловое отверстие в корпусе;
7 - фильтры в виде дисков;
8 - шпильки для крепления фильтров к корпусу;
9 - быстро разъёмное соединение «защелка-лягушка»;
10 - асбестовый диск;
11- прижимная металлическая пластина
Рис. 1. Экспериментальный генератор огнетушащего аэрозоля с фильтром: а) в виде дисков; б) в виде трубы; в) в виде холста
В качестве критерия оценки эффективности фильтра принят коэффициент полезного действия, отражающий отношение массы уловленной твердой фазы (А'Шуловленн^,х частиц) к общей массе твердой фазы ('штвердойфазыобщая), образовавшейся в результате горения твердотопливного состава в генераторе.
КПД _ 'уловленных частиц 100% (1)
Дфильтра т , _ , , V '
1- г п ^твердой фазы общая
Дополнительно, исходя из определенной площади фильтра (£,), непосредственно контактирующей с образующимся аэрозолем и массы заряда в генераторе (Маос), введен критерий удельной площади фильтрации:
Е _ —. (2)
Маос у 7
При этом минимальное значение параметра (Е) позволяет экономить на площади фильтра и габаритно-массовых характеристиках изделия.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ
В ходе работы параметр оптической прозрачности (Тг) определяется из отношения начальной величины светового потока (Л0) и потока света, прошедшего через слой среды толщиной (/), заполненной аэрозолем (Л,). В качестве прибора, определяющего величину потока, использовался люксметр, а источником счета служила лампа красного света. Таким образом, величина оптической прозрачности определяется по формуле:
Тг _ (3)
Полученное значение параметра оптической прозрачности среды не является прикладным. При проектировании систем пожаротушения необходимо знание дистанции, на которой виден источник света после заполнения защищаемого объема аэрозолем. Поэтому величина параметра оптической прозрачности сопоставляется с дальностью видимости источника света в реальных условиях. В специально подготовленном помещении воспроизводятся концентрации аэрозоля, где находится световое табло «Блик С-12». В ходе опыта производится субъективная оценка расстояния, на котором еще виден свет от источника.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ
По приведенным выше критериям выбраны фильтрующие материалы:
- ВПЯМ (высокопористый ячеистый материалы). Используемая пористость 30, 45, 60 рр1, плотность материала 0,45 г/см3. Конфигурация ВПЯМ фильтров - диски 0 220 мм, толщиной 10 мм;
- ППМ (пористый порошковый материал). Конфигурация - труба 0 120 мм, толщина стенки 5,5 мм, плотность 2,2 г/см3.
- ИПМ (иглопробивной материал), не тканый.
Рассмотрим, последовательно, результаты экспериментальных исследований, указанных выше материалов.
Результаты испытаний ВПЯМ
Испытания ВПЯМ характеризовались постоянными: площадью фильтра и массой заряда в генераторе. При этом, менялся объем фильтра и комбинировались слои с различной пористостью. Результаты приведены в табл. 1 и на рис. 2.
Результаты испытаний ВПЯМ в качестве фильтра
№ S, мм2 Маос, г Рвпям, дм -Мтвердой фазы общая?* г тулоеленных частиц г КПДфильтра, %
30 ppi 45 ppi 60 ppi
1 0,16 - - 0,41 4,2
2 0,32 - - 0,53 5,5
3 0,48 - - 0,82 8,5
4 0,16 0,16 - 0,72 7,5
5 37994 200 0,32 0,16 - 9,6 0,94 9,8
6 0,32 0,32 - 1,32 13,8
7 0,16 0,16 0,16 2,8 29,2
8 - 0,32 0,16 3,5 36,5
9 - 0,32 0,32 4,4 45,8
10 - 0,48 0,32 5,6 58,3
-^-ПтДфгаг ьт
%
ОД б 0,32 0,48 0.16 0.32 0.32 0.16 VEninvt, дм
0.16 0.16 0.32 0.16 0.32 0.32 0.4S 0.16 0.16 0.32 0.32
Рис. 2. Результаты испытаний ВПЯМ в качестве фильтра
Согласно данным эксперимента эффективность фильтра возрастает по мере введения новых слоев. Характер увеличения данного параметра представлен на графике. Наиболее эффективной оказалась комбинация фильтров с размерами пор 45 ppi (0,32 дм3) и 60 ppi (0,48 дм ) способная уловить до 58,3 % массы твердой дисперсной фазы из огнетушащего аэрозоля. Соотношение площади фильтра (Si) и массы заряда АОС (МАОС) в точке максимальной эффективности фильтра для данного ряда опытов будет постоянным и равным 190 мм /г.
Результаты испытаний III1М
Ряд экспериментов с ППМ характеризуется варьируемым параметром массы заряда в генераторе (МАОС) и фиксированными значениями площади фильтра (&■). Результаты экспериментов приведены в табл. 2.
Согласно графику, приведенному на рис. 3, доля уловленных из аэрозоля частиц растет по мере увеличения массы заряда от 100 до 400 г, после чего эффективность улавливания снижается. Аналогичным образом ведет себя фильтр с площадью 11304 мм , где эффективность так же падает после использования заряда АОС, величиной, превышающей 200 г. В результате, максимальная достигнутая данным фильтром эффективность улавливания лежит в диапазоне 46,9 - 52,1 %.
Отношение (£), при котором эффективность улавливания твердой дисперсной фазы из огнетушащего аэрозоля будет максимальной для данного ряда опытов составит 56,5 мм2/г.
Результаты испытаний ППМ в качестве фильтра
№ Маос, г Si, мм2 Мтвердой фазы общаят^ г туловленных частиц г КПДфильтра, %
1 100 S1 22608 4,8 1,4 29,2
2 200 9,6 2,9 30,2
3 300 14,4 6,1 42,4
4 400 19,2 10,0 52,1
5 500 24,0 10,2 42,5
6 600 28,8 11,0 38,2
7 100 S2 11304 4,8 1,9 36,9
8 200 9,6 4,5 46,9
9 300 14,4 5,7 39,6
10 400 19,2 5,9 30,6
^ПтДфкпьтрат %
50 -45 -
40 -
35--
30--
25 -
20 -\-1-1-1-1-1- II г
LOO 200 300 400 500 600
Рис. 3. Зависимость КПДфильтра от массы заряда в генераторе для фильтров ППМ с двумя различными величинами поверхности
Результаты испытаний ИПМ
В ходе испытаний представленный материал наматывался на металлическую цилиндрическую оправку. Процесс испытаний характеризуется варьируемым значением массы заряда в генераторе и постоянной площадью фильтрации. Результаты испытаний приведены в табл. 3 и на рис. 4.
Таблица 3
Результаты испытаний ИПМ в качестве фильтра
№ Маос, г Si, мм2 -Мтвердой фазы общая?* г тулоеленных частиц г КПДфильтра, %
1 300 14,4 4,8 33,3
2 400 19,2 6,9 35,9
3 500 24,0 9,6 40,0
4 600 47100 28,8 14,3 49,7
5 700 33,6 16,6 49,6
6 800 38,4 17,2 44,8
7 900 43,2 18,9 43,8
8 1000 48,0 19,8 41,3
Рис. 4. Доля уловленных частиц в зависимости от массы заряда АОС
Результаты показали, фильтр на основе ИПМ сопоставим по эффективности керамическому ППМ. КПД фильтра близко к 50 % при достижении соотношения площади фильтра к массе заряда МАОС равном Е = 78,5 мм2/г.
Сопоставление результатов приведено на гистограммах рис. 5, 6. Представлены значения для максимально достижимой эффективности улавливания по каждому из материалов.
Рис. 5. Сопоставление эффективности улавливания фильтров из различных материалов
ВПЯМ ППМ ИПМ
Рис. 6. Параметр (Е) при максимальной эффективности улавливания твердой фазы
Исходя из результатов проведенных опытов с фильтрующими материалами, наиболее эффективным оказался высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ), способный улавливать из огнетушащего аэрозоля до 58,3 %мас твердой дисперсной фазы. Меньшую эффективность имеют сопоставимые базальтовый фильтр - ИПМ (до 49,7 %) и керамический ППМ (46,9 %).
Значения параметра (Е), отражающего нагрузку, которую может нести фильтр, показали, что наиболее перспективный материал - ППМ. Для фильтрации объема аэрозоля, образованного единицей массы заряда АОС необходимо 56,5 мм площади фильтра. Базальтового фильтра потребуется в 1,4 раза больше, ВПЯМ фильтра - в 3,4 раза. Что, при создании изделия, непосредственно скажется на габаритно-массовых характеристиках.
РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ
Результаты оценки оптической прозрачности приведены в табл. 4 и на графиках рис. 7. Полученные характеристики оптической прозрачности для огнетушащих аэрозолей с различным содержанием твердой дисперсной фазы расположены параллельно друг другу. Чем прозрачнее аэрозоль, тем выше строится его характеристика относительно оси абсцисс.
Таблица 4
Оценка оптической прозрачности огнетушащих аэрозолей
Базовое содержание твердой фазы
Маос, г 50 80 90 100 110
Тг, % 64 54 50 45 40
ИПМ (Базальтовый фильтр)
Маос, г 130 150 175 200 200
Тг, % 77 69 60 49 49
ППМ (Керамический фильтр)
Маос, г 130 150 175 200 -
Тг, % 85 78 68 58
Рис. 7. Зависимости оптической прозрачности среды (Тг) от массы аэрозолеобразующего состава (МАОС)
Концентрация твердой дисперсной фазы в огнетушащем аэрозоле, прошедшем через ИПМ базальтовый фильтр выше, чем у аэрозоля, фильтрованного через керамический ППМ. Это подтверждается меньшей улавливающей способностью базальта и более низкой оптической прозрачностью среды (см. табл. 2, 3).
Фильтрованные аэрозоли испытаны на огнетушащую эффективность. Результаты показали, аэрозоль, фильтрованный через ППМ керамику, более эффективный, огнетушащая
3 3
способность 150 г/м в сравнении со 175 г/м для ИПМ фильтра, что может быть объяснено преобладанием более мелких фракций частиц твердой фазы в нем (табл. 5).
Таблица 5
Оценка огнетушащей способности и дистанции видимости фильтрованных аэрозолей
Аэрозоль Без фильтра ИПМ (базальт) ППМ (керамика)
Огнетушащая способность, г/м3 90 175 150
Оптическая прозрачность (Тг), % 50 69 78
Дистанция распознавания светового табло, (±0,5) м 2 5 10
Отметим, что при работе экспериментального генератора с фильтром на основе ППМ керамики не происходит попадания в огнетушащий аэрозоль посторонних примесей, меняющих химический состав огнетушащей среды.
Достаточная термостойкость и эффективность улавливания частиц, способность работать при высокой интенсивности подачи аэрозоля позволяют остановиться на ППМ фильтре, позволяющем успешно решать поставленные задачи.
Результаты сопоставления дальности видимости источника света (светового эвакуационного табло) в трех различных аэрозолях приведены в табл. 5.
Таким образом, фильтр на основе ППМ керамики позволяет получать аэрозоль оптической прозрачностью 78 %, дальность видимости в которой достигает 10 м. При этом оптическая прозрачность 69 % для ИПМ базальтового фильтра позволяет различать табло эвакуации на значительно меньшем расстоянии - 5 м. Не подвергнутый фильтрации аэрозоль пропускает свет от источника на расстояние до 2 м. На рис. 8 экспериментальные точки по сопоставлению дистанции видимости и оптической прозрачности для трех фильтров объединены в одну кривую.
Рис. 8. Дистанция распознавания светового табло в зависимости от оптической прозрачности среды (Тг), заполняющей помещение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованные материалы, в совокупности со специально сконструированным экспериментальным генератором, позволили снизить содержания твердой фазы в нано-и микроаэрозолях до 30 - 50 %мас от начального количества. На этой основе построены закономерности изменения оптической прозрачности в зависимости от концентрации огнетушащего аэрозоля. Приведены методика и результаты сопоставления оптической прозрачности и дистанции распознавания источника света.
Полученные результаты были использованы при проектировании и создании генератора огнетушащего оптически-прозрачного аэрозоля, используемого при тушении пожара в помещениях с повышенными требованиями безопасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агафонов В. В., Голубчиков В. Б., Животков А. В. Повышение безопасности твердотопливных генераторов огнетушащего аэрозоля // Пожарная безопасность. 2013. № 3. С. 47-51.
2. Агафонов В. В., Копылов Н. П. Установки аэрозольного пожаротушения: Элементы и характеристики, проектирование, монтаж и эксплуатация. М.: ВНИИПО, 1999. 232 с.
3. Спичкин Ю. В., Калач А. В., Сорокина Ю. Н. Современное состояние физико-химических представлений об особенностях прекращения горения с использованием дисперсных материалов // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России, 2014. № 2(11). С. 7-12.
4. Копылов С. Н., Гришакина В. А. Способ обеспечения видимости в среде огнетушащего аэрозоля за счет специального освещения // Патент РФ № 2419470, 2011.
5. Вахрушев А. В., Голубчиков В. Б., Федотов А. Ю., Животков А. В. Многоуровневое моделирование процессов конденсации молекулярной смеси в аэрозольных огнетушителях // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 3. С. 340-349.
6. Аликин В. Н., Вахрушев А. В., Голубчиков В. Б., Липанов А. М., Серебренников С. Ю. Разработка и исследование аэрозольных нанотехнологий. Топлива. Заряды. Двигатели. Том 3. М.: Машиностроение, 2010.196 с.
7. Аликин В. Н. Вахрушев А. В., Голубчиков В. Б., Ермилов А. С., Липанов А. М., Серебренников С. Ю. Твердые топлива реактивных двигателей. Топлива. Заряды. Двигатели. Том 4. М.: Машиностроение, 2011. 380 с.
CHANGE OF OPTICAL TRANSPARENCY OF THE ATMOSPHERE OF FIRE EXTINGUISHING MICRO- AND NANOAEROSOLS
1Vakhrushev A. V., 2Golubchikov V. B., 2Zhivotkov A. V.
institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
2Scientific-production company «NORD» ltd. Perm, Russia
SUMMARY. The results of changes in the optical transparency of micro- and nano-dispersed solid-phase aerosols are presented. Optical transparency affects safe evacuation, the ability to search for victims prompt assessment of the emergency situation and the nature of the destruction. Transparency varies due to filtration of the medium in porous materials with high thermal stability. For the testing of filters, an experimental fire extinguishing aerosol generator has been developed, which makes it possible to use samples of almost any size and configuration. As porous media are used: highly porous cellular material, basalt needle-punched material, ceramic porous powder material, being the most promising material, which combines high optical transparency of the multiphase medium, high fire-extinguishing efficiency and the ability to withstand the greatest filter load. The curves of the efficiency of solid phase capture for three variants of porous media, the patterns of the optical transparency of the medium from the concentration of the filtered aerosol are presented. For the first time a characteristic is constructed that relates the distance of visibility and the optical transparency parameter of the medium.
KEYWORDS: micro- and nanoaerosols, filtration, optical transparency, visibility distance.
REFERENCES
1. Agafonov V. V., Golubchikov V. B., Zhivotkov A. V. Povyshenie bezopasnosti tverdotoplivnykh generatorov ognetushashchego aerozolya [Safety improving of solid fuel generators for extinguishing aerosol]. Pozharnaya bezopasnost' [Fire safety], 2013, no. 3, pp. 47-51.
2. Agafonov V. V., Kopylov N. P. Ustanovki aerozol'nogo pozharotusheniya: Elementy i kharakteristiki, proyektirovaniye, montazh i ekspluatatsiya [Aerosol extinguishing installations: Elements and characteristics, design, installation and operation]. Moskow: VNIIPO Publ., 1999. 232 p.
3. Spichkin Yu. V., Kalach A.V.. Sorokina YU.N. Sovremennoye sostoyaniye fiziko-khimicheskikh predstavleniy ob osobennostyakh prekrashcheniya goreniya s ispol'zovaniyem dispersnykh materialov [Novel state of physical and chemical ideas of features of the fire termination with use of disperse materials]. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii [Bulletin of the Voronezh Institute of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Measures of Russia], 2014, no. 2(11), pp. 7-12.
4. Kopylov S. N., Grishakina V. A. Sposob obespecheniya vidimosti v srede ognetushashchego aerozolya za schet spetsial'nogo osveshcheniya [Method for providing visibility in a fire extinguishing aerosol environment due to special lighting]. PatentRU2419470, 2011.
5. Vakhrushev A. V., Golubchikov V. B., Fedotov A. Yu., Zhivotkov A. V. Mnogourovnevoye modelirovaniye protsessov kondensatsii molekulyarnoy smesi v aerozol'nykh ognetushitelyakh [Multilevel simulation of molecular mixtures condensation in aerosol fire extinguishers]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2011, vol. 13, no. 3, pp. 340-349.
6. Alikin V. N., Vakhrushev A. V., Golubchikov V. B., Lipanov A. M., Serebrennikov S. Yu. Razrabotka i issledovaniye aerozol'nykh nanotekhnologiy Topliva. Zaryady. Dvigateli. Tom 3 [Development and investigation of aerosol nanotechnologies. Fuel. Charges. Engines. Vol. 3]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2010.196 p.
7. Alikin V. N., Vakhrushev A. V., Golubchikov V. B., Ermilov A. S., Lipanov A. M., Serebrennikov S. Yu. Tverdye topliva reaktivnykh dvigateley. Topliva. Zaryady. Dvigateli. Tom 4 [Solid propellant fuels. Fuel. Charges. Engines. Vol. 4]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2011. 380 p.
Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией механики наноструктур ИМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: vakhrushev-a@yandex. ru
Голубчиков Валерий Борисович, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «НПФ «НОРД»
Животков Андрей Васильевич, главный инженер ООО «НПФ «НОРД», тел. (342)224-04-67, e-mail: nord59r@mail. ru
