CC BY
34
Е.Я. Кулявцев
аспирант «Бийского технологического института» (филиал) «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
В.Г. Казанцев
д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Бийского технологического института» (филиал) «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
А.Г. Овчаренко
д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Бийского технологического института» (филиал) «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
Е.А. Петров
д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Бийского технологического института» (филиал) «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
УДК 614.844.1 (083.74)
некоторые особенности применения модулей порошкового пожаротушения
Рассмотрены проблемы применения модулей порошкового пожаротушения. Даны оцен-ки работоспособности модулей, рассмотрены их слабые и сильные стороны.
Ключевые слова: МОДУЛЬ ПОРОШКОВОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ, НАСАДОК-РАСПЫЛИТЕЛЬ, ГАЗОПОРОШКОВАЯ СМЕСЬ, ФАКЕЛ РАСПЫЛЕНИЯ
В соответствии с Федеральным законом «О пожарной безопасности» [1] устанавливаются требования к защите общества и имущества от пожаров. Выполнение этих требований, помимо профилактических мероприятий, базируется на применении специальных средств пожаротушения. Потенциальная пожароопасность (как производственная, так и бытовая) существует непрерывно во времени. При стечении неблагоприятных обстоятельств естественные процессы жизнедеятельности, природный или человеческий факторы могут дать толчок сложным физическим процессам, которые проявляются в том числе в возгорании и его последующем развитии. Современная методология пожарной безопасности и профилактика пожарной опасности ориентируются на установившиеся принципы
борьбы с пожарами. Первый принцип - радикальное решение проблемы пожароопасно-сти, заключающийся в исключении сочетания факторов, приводящих к возгоранию. Однако в сложившемся укладе жизнедеятельности, в том числе опасных производств, не приходится гарантировать полную безопасность как из-за случайных техногенных сбоев, так и из-за несоблюдения техники безопасности человеком.
Вторым принципом, также не всегда реальным, можно назвать создание условий, исключающих возможность образования горючих сред, например применением негорючих материалов.
Таким образом, специфика жизнедеятельности не позволяет в полной мере исключить возможность возгораний. В этом случае пожарная безопасность должна обеспечи-
ваться в рамках третьего принципа. Суть принципа заключается в создании технических средств подавления возгораний, когда пожар как авария переходит в неуправляемое состояние.
В этой связи особую актуальность приобретает разработка автономных и автоматических средств пожаротушения, позволяющих дистанционно и в первые моменты возникновения очагов пожаров подавить их без присутствия человека. К таким средствам относятся модули порошкового пожаротушения (МПП), технология применения которых возникла сравнительно недавно, однако обнаружила высокую эффективность при локализации пожаров, сохраняя жизнь человека и его материальные ценности. Главные приемы и способы подавления горения, использующиеся при разработке МПП, основаны на
следующих физических эффектах:
• понижении температуры в очаге горения;
• увеличении скорости теплоот-вода из очага пожара;
• изменении процентного соотношения в составе смеси окислителя и горючего в зоне горения;
• уменьшении скорости выделения теплоты в зоне реакции путем снижения скорости реакции горения физическими и химическими способами;
• изолировании или разделении реагирующих веществ в зоне реакции.
В соответствии с принятыми способами прекращения горения огне-тушащие вещества разделяют на охлаждающие, разбавляющие, изолирующие и химически тормозящие реакцию горения.
Первые упоминания об использовании модулей порошкового пожаротушения относятся, вероятно, к 1770 г, когда полковник Рот потушил пожар в магазине г. Эслингер
(Германия), забросив в помещение бочку, начиненную алюминиевыми квасцами и содержащую пороховой заряд для распыления порошка. Реализация идеи порошкового пожаротушения в России относится к концу XIX века. В прессе упоминается о создании Б.Ф.Шефталем взрывного огнетушителя «Пожаргаз», корпус которого заполнен двууглекислой содой, квасцами или сернокислым аммонием и другими примесями к ним. Выпускался такой модуль массой 4, 6 и 8 кг Срабатывание модуля осуществлялось взрывом навески пороха, инициированным бикфордовым шнуром. В журнале «Popular Sciensе» (1938г.) имеется сообщение об испытаниях модуля порошкового пожаротушения, корпус которого выполнен из папье-маше, заполненного огнету-шащим порошком и навеской порохового заряда. Срабатывание такого модуля - взрыв и распыление порошка - происходило при достижении температуры окружающей среды 200 0С.
Современные модули порошкового пожаротушения по своей идее и цели применения не претерпели существенных изменений. Вместе с тем новые конструкторские и схемно-технические решения МПП позволили более чем в десять раз увеличить эффективность пожаротушения. Прежде всего, в конструкцию МПП введены элементы аэрации огнетушащего порошка непосредственно перед его запуском, что позволило исключить эффект его «слеживаемости»; использованы новые конструкции сопел распылителей для организации вторичной аэрации порошка. Модуль порошкового пожаротушения можно использовать как высотное устройство, с расположением до 15 м от очага возгорания. Используются и другие нововведения. Вариант модуля порошкового пожаротушения показан на рисунке 1.
Модуль запускается в работу при подаче импульса тока на пусковое устройство (ПУ) баллона со сжатым
Рисунок 1 - Принципиальная схема конструкции модуля порошкового пожаротушения «Паук»
или сжиженным газом. Пусковое устройство отжимает запорный клапан баллона, и газ под давлением по пневмотракту поступает в корпус или корпуса (возможно использовать до пяти корпусов одновременно), где происходит аэрация огнегасящего порошка. При достижении в корпусе рабочего давления происходит вскрытие клапана распылителя и выброс порошка в виде сложного двухфазного высокотурбулентного истечения порошка из корпуса в охраняемую зону. Разработанный МПП «Паук» в отличие от других известных МПП обладает тройным эффектом подавления возгораний - свойством порошкового и газового пожаротушения, а также свойством понижения температуры окружающей среды вследствие охлаждения защищаемого пространства углекислым газом, температура которого понижается при переходе углекислоты из жидкого в газообразное состояние. МПП «Паук» предназначен для подачи огнетушащего порошка к защищаемым объектам с напором, преодолевающим тепловую депрессию при поверхностном способе локализации, и подавления возгораний одного или нескольких пожаров класса А (твердых горючих веществ), В (жидких горючих веществ), С (горение газообразных веществ), Е (электрооборудования, без ограничений по величине пробивного напряжения). МПП «Паук» может применяться на разрезах, в подземных выработках шахт, рудников и их наземных строениях, опасных по рудничному газу и/или горючей пыли. В соответствии с правилами безопасности, относящимися к эксплуатации горного оборудования, предназначенного для предупреждения и тушения пожаров в подземных выработках шахт, опасных по газу и/или пыли [2], модуль имеет маркировку взры-
возащиты электрооборудования РО Ехia I X.
В настоящее время норморяд модулей порошкового пожаротушения, выпускаемых нашей промышленностью, по массе огнетушащего порошка находится в основном в диапазоне 2, 4, 6, 8 и 10 кг. Проведенные исследования показывают, что за счет схемно-технических решений тушения возгораний, касающихся расположения модулей в защищаемом пространстве, возможно обойти номенклатуру выпускаемых МПП, заменяя ее одним типом МПП. В этом случае упрощаются затраты на их производство и одновременно увеличивается программа выпуска модулей. Существо вопроса заключается в следующем. Теоретический анализ и испытания показывают, что при истечении порошка из насадка модуля угол распыления факела имеет узкую конусообразную направленность с углом раствора около 110 (рисунок 2). По этой
причине оказывается технически нецелесообразно значительно увеличивать массу порошка в корпусе, поскольку эффективность тушения по параметру (масса порошка) / (защищаемая площадь) увеличивается незначительно из-за локального воздействия факела на очаг пожара.
Установлено, что если за критерий принять тушение максимального модельного очага пожара ранга 233В (тушение 233 л горящего бензина в круглом противне площадью 7,3 м2 по НПБ 67-98) модулем порошкового пожаротушения с цилиндрическим насадком с высоты 6 м, то удельный расход порошка составляет не менее 0,8 кг/м2, что соответствует массе огнетушаще-го порошка не менее 5,7 кг и, как следствие, объему корпуса МПП не менее 6 л. Отсюда следует, что с целью увеличения эффективности защиты контролируемого пространства необходимо использовать несколько корпусов МПП с мини-
мально необходимой навеской порошка в каждом и распределить их по защищаемому пространству при безусловном обеспечении подавления возгораний. В соответствии с принятыми критериями можно принять МПП состоящим из одного или нескольких корпусов, имеющих стандартную вместимость не менее 6 л, с навеской порошка не менее 5,7 кг.
При запуске модуля газ под давлением поступает в корпус. Период между началом поступления газа в корпус и моментом вскрытия клапана распылителя назовем подготовительным периодом. В этот период происходит аэрация порошка, его псевдоожижение. Одним из важных моментов работы МПП в этот период, подлежащий изучению, является характер нарастания давления в корпусе, который и предопределяет работу аэратора и псевдоожижение порошка.
Таким образом, возникает задача об оценке изменения давления газа
в корпусе при его нагнетании через аэраторы в объем, заполненный огнетушащим порошком. Процесс закачки газа в корпус необходимо рассматривать как истечение струи газа в затопленное пространство. Из-за своей сложности ни о каком аналитическом решении задачи в такой постановке речи быть не может, поскольку в процессе заполнения корпуса газом в результате псевдоожижения порошка свойства газопорошковой смеси непрерывно изменяются. Кроме того, оценка местного сопротивления конструктивных элементов типа аэраторов, как правило, определяется экспериментально. Поток поступающего газа в корпус квалифицируется как неустановившийся.
В этой связи общее решение сформулированной выше задачи ставится на экспериментальную основу. Для получения картины изменения давления в корпусе с учетом аэрации порошка эксперименты проводились для различных уровней ра-
бочих давлений вскрытия клапана распылителя.
На рисунке 3 показаны результаты экспериментов с МПП в диапазоне времени - от начала наддува корпуса до полного выхода газопорошковой смеси из корпуса после вскрытия клапана распылителя. Скорость подачи газа в корпус регулировалась краном баллона со сжатым углекислым газом. Средний уровень расхода газа, поступающего в корпус через резиновый кислородный шланг, рассчитывался по показаниям аттестованных бытовых счетчиков газа. Для МПП с давлением вскрытия 1,83 МПа (рисунок 3, штрихпунктирная линия) средний уровень расхода газа составил 17,6 л/с, для корпуса с давлением вскрытия 1,4 МПа (сплошная линия) расход газа оказался равным 4,9 л/с и для давления 1,22 МПа - 3,6 л/с.
Процесс аэрации порошка при подаче давления в корпус на активном участке нагнетания газа dР/dt > 0 условно можно разделить на два
10 2.0 30 40 50 60 70 80 90 10.0 11.0 12.0 13.0 1.0 2.0 30 40 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
Рисунок 3 - Характер изменения давления в корпусе МПП при аэрации огнетушащего порошка для различных давлений вскрытия модуля (а) и приращение расхода газа
при его закачке в корпус (б)
этапа (рисунок 3,а). Для первого этапа характерен высокий градиент нарастания давления в корпусе. Время первого этапа, который характеризуется прорывом газа из аэратора в объем порошка, составляет примерно до 10% от суммарного времени закачки газа. На этом этапе резкое нарастание давления приводит к выходу газа из аэратора с большим скоростным напором в объем порошка, преодолению противодействия слежавшегося конгломерата и его динамическому дроблению. На втором этапе вследствие уменьшения разности давлений в баллоне со сжатым газом и в корпусе скорость нагнетания газа непрерывно падает. Из анализа рисунка 3,б следует, что приращение расхода dQ газа плавно уменьшается (dQ~dP/dt). Однако предварительно (на первом этапе) частично раздробленная газопорошковая смесь оказывает с течением времени все меньшее сопротивление вдуваемому газу, происходит окончательное ожижение порошка потоком газа.
Одним из важнейших конструктивных элементов МПП является его насадок-распылитель (рисунок 1).
Под насадком понимается весьма короткая напорная трубка (1_Ю = 1-4, где L - длина трубки; D - диаметр), формирующая факел распыления порошка. Возможно применение различных известных и изученных типов насадков, таких как внешний цилиндрический насадок (Вентури); внутренний цилиндрический насадок (Борда); конические насадки (сходящиеся или расходящиеся) и другие типы (рисунок 4).
Из условия наилучшего распыления порошка необходимо выбирать такие типы насадков, которые бы максимально соответствовали условию тушения очага пожара. Если за критерий рационального варианта доставки газопорошковой смеси к очагу пожара принять высоту срабатывания МПП и полагать, что чем выше над очагом установлен модуль, тем выше должна быть скорость истечения смеси, то для высотных МПП насадок следует выбирать, например, коническим сходящимся. Для низковысотных МПП насадок должен быть, например, коническим расходящимся при прочих равных условиях (навеска порошка, давление вскрытия
насадка - клапана распылителя и др). Промежуточное положение занимает МПП с цилиндрическим насадком. Проблема выбора и конструкции насадка связывается с проблемой аэрации порошка. При прохождении, например, через цилиндрический насадок аэрированный порошок (газопорошковая смесь) под высоким давлением проходит стадию сжатия, частично теряя при этом свойства предыдущей аэрации порошка из-за вытеснения газа из смеси в результате сжатия струи. Для восстановления газопорошковой смеси появляется необходимость в разработке новых насадков-распылителей с функциями вторичной аэрации огнету-шащего порошка с устройством, например, тангенциального входа аэрированного в корпусе порошка в насадок-распылитель или размещением в самом насадке спирали-завихрителя.
Эксперименты по оценке газодинамических параметров МПП проводились с модулями порошкового пожаротушения объемом корпуса 6±0,2 л и навеской огнетушащего порошка 5,7±0,2 кг. Ось цилиндри-
а- цилиндрический насадок (Вентури); б - цилиндрический насадок (Борда); в - конический насадок (сходящийся); г - конический насадок (расходящийся)
Рисунок 4 - Типы насадков
ческого насадка-распылителя типа Вентури диаметром 42 мм при испытаниях ориентирована нормально земной поверхности. Ниже представлены результаты экспериментов при давлении вскрытия МПП, равном 1,8 МПа. Модуль порошкового пожаротушения запускался в работу с высоты 6 м. Видеонаблюдения за истечениями газопорошковой смеси из насадка-распылителя проводились при помощи камеры скоростной видеосъемки «ВИДЕОСПРИНТ», имеющей разрешение 1280х1024 с цифровым усилением, работающей совместно с удаленной ПЭВМ и позволяющей проводить видеосъемки с частотой 1000 кадров в секунду. По результатам видеонаблюдений и данным тензометрии были установлены особенности истечения газопорошковой смеси в начальные моменты времени после вскрытия клапана насадка-распылителя. При вскрытии насадка-распылителя возникает явление гидроудара. В результате гидроудара элементарные объемы газопорошковой смеси приобретают значимое ускорение при выходе из сопла. При этом из-за сопротивления воздуха возникает нормальная к оси потока составляющая скорости. Из детального анализа видеонаблюдений следует, что нормальная к оси составляющая скорости оказывается соизмеримой с осевой скоростью (рисунок 5).
Газопорошковая смесь приобретает форму эллипсоида - сплюснутой в осевом направлении сферы. В то же время заметим, что для сформировавшегося потока нормальная составляющая скорости полагается пренебрежимо малой по сравнению с осевой скоростью. С течением времени угол распыления р уменьшается и стабилизируется (рисунок 6,а). По изменению
Рисунок 5 - Форма факела истечения газопорошковой смеси в начальные моменты времени (р - угол распыления)
ускорения элементарных объемов газопорошковой смеси, выходящих из насадка (рисунок 6,б), можно судить и о соответствующем изменении лобового сопротивления фронта потока, и в результате об изменении формы факела, стремящейся с течением времени к схеме с прямолинейными внешними границами и углом распыления р ~ 9-120.
На рисунке 7 показаны результаты расшифровки видеонаблюдений в терминах мгновенной и средней скоростей фронта газопорошковой смеси вдоль оси потока. По результатам измерений мгновенной скорости течения газопорошковой смеси численно определяется
осевое ускорение элементарных объемов смеси (рисунок 7, в) путем измерения тангенса угла наклона между касательной к кривой скорости и осью времени (рисунок 7,б). Анализ данных экспериментов по изменению угла распыления газопорошковой смеси с течением времени (рисунок 6,а) позволяет установить протяженность переходного процесса - время от начала вскрытия клапана распылителя до установления сформировавшегося потока.
Если за критерий сформировавшегося потока принять постоянство во времени значения угла распыления в ~ const (рисунок 6), то поток можно считать сформировавшимся к
Рисунок 6 - Изменение угла наклона внешней границы потока (а) и ускорения элементарных объемов смеси вдоль оси течения (б) после вскрытия клапана распылителя
моменту времени t > 0,06 с после вскрытия клапана распылителя.
Заключительной стадией работы модуля порошкового пожаротушения является определение воздействия факела порошка, истекающего под давлением из насадка на защищаемый объем и на преграды. К задачам исследований в этой части работы МПП относятся: установление характерных участков струи, формирующих факел распыления, - выход факела из насадка; разрушение изначально компактной струи из-за сопротивления воздуха, в результате чего проявляется третичная аэрация факела как следствие турбулентного обмена через границу газопорошкового потока частиц смеси с воздухом; оценка силового воздействия фронта факела на преграды, которые могут быть жесткими (твердые стенки), жидкими и газообразными (температурная депрессия от очага пожара).
Рассмотрим силовое воздействия факела газопорошковой смеси на твердые преграды.
На рисунке 8 показан стапель для измерения нормального давления факела газопорошковой смеси на преграду, включающий: 1 - МПП; 2 - датчик измерения давления в корпусе МПП; 3 - пневмотракт; 4 - ПЭВМ; 5 - аналогово-цифровой преобразователь; 6 - шлейф электрокоммуникаций; 7 - баллон со сжиженным газом и пусковым устройством; 8 - площадка с вмонтированными датчиками нормального давления.
В процессе проведения экспериментов площадка 8 с датчиками поднималась от уровня земной поверхности с шагом 1 м до высоты 4 м. Расстояние от среза сопла МПП до уровня земной поверхности составляло 6 м.
На рисунке 9 представлены результаты экспериментов по исследованию уровня силового воздействия факела на твердые преграды.
Как и следовало ожидать, максимальное давление на преграду факел газопорошковой смеси оказывает в зоне своей осевой линии. На расстояниях более 0,5 м от оси факела влияние его воздействия на преграду становится несущественным.
Рассматривая воздействие факела
газопорошковой смеси на преграды, следует обратить внимание на проблему безопасности человека, который может оказаться в зоне силового воздействия факела распыления огнетушащего порошка. В силу своей природы факел газопорошковой смеси при встрече с преградой оказывает на нее динамическое воздействие. Поэтому движение фронта факела можно рассматривать как движение фронта ударной волны. При встрече с человеком такая
Рисунок 7 - Изменение мгновенной и средней скоростей, а также ускорение фронта факела истечения газопорошковой смеси из насадка во времени
ударная волна может оказать на него негативное воздействие. В работе [3] достаточно подробно освещены вопросы воздействия давления на различные объекты, на оснащение горных выработок и на человека. В сопоставлении с данными, приведенными в вышеуказанной работе, на рисунке 10 представлен характер воздействия максимального давления факела газопорошковой смеси на человека.
Результаты представленного сопоставления с учетом распределения давления смеси вдоль горизонта (рисунок 9) указывают на необходимость запрещения присутствия человека на расстоянии 1 м по радиусу от оси соплового насадка МПП, что должно быть достигнуто с использованием дополнительных защитных мероприятий.
L
о.о 1.0 2.0 3,0 4.0 5.0 6.0 .0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4
Рисунок 9 - Изменение давления газопорошковой смеси на оси факела в зависимости от расстояния до преграды (а) и распределение нормального давления вдоль преграды (б)
Схемно-технические решения многих известных МПП не имеют принципиальных отличий. Поэтому результаты исследований, проведенных на модуле порошкового пожаротушения «Паук», могут быть обобщены и распространены на другие модули порошкового пожаротушения, а также использоваться в конструкторской и технологической практике пожаротушения.
Рисунок 10 - Характер воздействия давления фронта газопорошковой смеси на человека
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1 О пожарной безопасности [Электронный ресурс]: федер. закон от 18.11.1994 №69-ФЗ. - Режим доступа: КонсультантПлюс.
2 Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). - М., 2003. -294 с.
3 Мясников, А.А. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах / А.А. Мясников, С.П. Старков, В.И. Чикунов. - М.: Недра, 1985. - 205 с.
SOME FEATURES OF POWDER FIREFIGHTING MODULES Кулявцев Евгений Яковлевич
APPLICATION тел. (3854) 35-19-35
Ye.Ya. Kuliavtsev, V.G. Kazantsev, A.G. Ovcharenko, Ye.A. Petrov
Problems of powder firefighting modules application are considered. Казанцев Владимир Гзоргиевич
Modules working capacity estimations are given, their weak and strong тел. (3854) 35-19-35
sides are considered
Key words: POWDER FIREFIGHTING MODULES, SPRAYING NOZZLE, Овчаренко
GAS-POWDER MIXTURE, SPRAYING JET Александр Григорьевич
е-таН: shura@bti.secna.ru
Петров Евгений Анатольевич
тел. (3854) 30-59-22
83
