CC BY
11О ЗАДАЧЕ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ АКТИВАЦИИ ОРОСИТЕЛЯ СПРИНКЛЕРНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
ПОЖАРОТУШЕНИЯ
И.А. Бабиков; А.Л. Танклевский.
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. А.А. Таранцев, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации. Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук
Рассмотрены вопросы обоснования превентивной активации оросителей спринклерной автоматической установки пожаротушения при появлении очага пожара в помещении. Приведена математическая модель роста температуры спринклера при использовании электронагревательного элемента для превентивной активации. Даны расчётные оценки величин мощности нагревательного элемента применительно к задачам анализа и синтеза превентивной активации спринклера. Приведены варианты конструктивного исполнения электронагревательных элементов.
Ключевые слова: термочувствительная колба, очаг пожара, спринклерная автоматическая установка пожаротушения, ороситель, активация, нагревательный элемент
ON THE PROBLEM OF FORCED ACTIVATION OF SPRINKLER OF AUTOMATIC FIRE EXTINGUISHING SYSTEM
I.A. Babikov; A.L. Tanklevsky.
Saint-Petersburg polytechnic university of Peter the Great.
A.A. Tarantsev. Solomenko Institute of transport problems of the Russian academy of sciences
The questions of justification of preventive activation of sprinklers sprinkler automatic fire extinguishing system in the event of a fire in the room. A mathematical model of the sprinkler temperature growth using an electric heating element for preventive activation is presented. The calculated estimates of the heating element power values in relation to the problems of analysis and synthesis of preventive sprinkler activation are given. Variants of constructive execution of electric heating elements are given.
Keywords: heat-sensitive flask, fire center, sprinkler automatic fire extinguishing system, sprinkler, activation, heating element
При возникновении пожара класса А в помещениях различных классов функциональной пожарной опасности [1] имеет место быстрый рост площади пожара £п(0, обуславливаемой линейной скоростью Ул распространения пламени по пожарной нагрузке [2] (например, для мебели Ул~0,015 м/с, для цеха деревообработки Ул~0,022 м/с и т.п.). При этом если не будут предприняты меры по тушению пожара, то он может охватить всю площадь помещения £пом (рис. 1) и даже выйти за её пределы при малых пределах огнестойкости ограждающих конструкций. В этой связи важную роль играют спринклерные автоматические установки пожаротушения (АУП) [3], одной из важнейших задач которых является быстрейшее тушение пожара и снижение ущерба от него. Активация оросителей спринклерной АУП происходит за счёт нагрева запирающих колбочек
высокотемпературными конвективными потоками продуктов горения, в результате чего при температуре 60 0С колбочка разрушается от вскипания в ней жидкости, и ороситель осуществляет подачу воды к очагу пожара.
Рис. 1. Влияние времени активации спринклеров ti на размер ущерба от пожара
(^пом - площадь помещения)
Однако как показано в работе [4], при значительных высотах размещения спринклеров нагрев колбочек происходит с задержкой, в результате чего площадь пожара увеличивается до размеров, превышающих те, что защищает ороситель, и пожар продолжает развиваться. При этом срабатывают соседние спринклеры, но также с запаздыванием, в результате ущерб от пожара растёт как за счёт роста площади пожара £п, так и из-за сопутствующего опасного фактора пожара [1] - излишне пролитой воды. И так до прибытия пожарных и ликвидации ими открытого горения [5, 6]. В итоге спринклерная автоматическая система пожаротушения оказывается неэффективной.
Выходом из этой ситуации может быть превентивная активация спринклеров, а именно того спринклера, датчик температуры которого по её росту свидетельствует, что очаг пожара находится в зоне покрытия этого спринклера. Превентивная активация может осуществляться за счёт искусственного нагрева колбы спринклера (конкретно - жидкости в ней) электронагревателями (рис. 2) до температуры вскипания ТВ.
Рис. 2. Варианты электронагревателей для превентивной активации спринклера,
разработанные в ОАО «Гефест» а) четырёхэлементный электронагреватель; б) спиральный электронагреватель; в) пленочный
Постановка задачи
В общем случае задача может состоять в необходимости построить математическую модель повышения температуры Т колбы за счёт подвода к ней тепловой мощности Р электронагревателем:
Р=кпШ,
где кп<1 - к.п.д. электронагревателя; и, I- напряжение на нём и ток.
Наличие такой модели позволит на оценочном уровне решать задачи анализа и синтеза. В первом случае оценивать динамику температуры колбы Г(^) при искусственном нагреве и определить время tА достижения температуры ТВ, когда произойдёт превентивная активация спринклера. Во втором случае, задавшись требуемым временам активации спринклера tА, оценивать мощность Р, необходимую для достижения температуры ТВ.
Математические модели нагрева колбы
Математическая модель нагрева колбы спринклера АУП при пожаре, как показано в работах [7, 8], может быть представлена дифференциальным уравнением 1-го порядка:
я^Г = (Тг - Т) - кк (Т - Тк), (1)
где Я - коэффициент тепловой инерционности спринклера (КГ1), (м-с)0,5; и, Тг - соответственно скорость (м/с) и температура (0С) восходящих продуктов горения в припотолочной области; кк - коэффициент теплоотдачи от колбы к корпусу оросителя, (м/с)0,5; Тк - температура корпуса оросителя, 0С.
Величина Я является паспортизованной характеристикой спринклера, а скорость и и температура Тг зависят от теплоты сгорания Q материала пожарной нагрузки, высоты помещения Н и проекционного расстояния г очага пожара от оси спринклера и определяются эмпирическими соотношениями Альперта [9]. В работе [4] приведено аналитическое решение дифференциального уравнения (1), в виде функции Т=^^,Н,г), позволяющее при начальной температуре Т0 найти время tА естественной активации спринклера при достижении температуры ТВ колбы, оценить тем самым эффективность спринклерной АУП при известной высоте Н и сформулировать необходимые рекомендации.
Тем не менее применительно к превентивной активации спринклера уравнение теплового баланса должно быть записано не в виде (1 ), а в виде:
(Сжшж + Ссшс)§ - -а(Та - Т) + Р, (2)
где Сж, Сс - теплоемкости жидкости и стекла колбы, Дж/кг/К; тж, тс - массы жидкости и стекла колбы, кг; а - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/К; Та - температура среды.
При этом следует иметь в виду, что в отличие от естественной активации спринклера, когда восходящие продукты горения нагревают колбу, при превентивной активации, наоборот, будут иметь место потери тепла в окружающую среду при подводе мощности Р от электронагревателя, поскольку Т> Та.
Приняв допущения: Сжтж+Сстс~со^^ Р-сопб^ градиенты температур в жидкости и стекле малы, нагрев равномерный, и задавшись коэффициентом теплообмена а (он может быть определён экспериментально), решение дифференциального уравнения (2) можно получить в явном виде:
P
T (t) = Та + -a
1 - exp
at
Cж тж + Сс тс у
(3)
которое и будет оценочной математической моделью нагрева колбы при превентивной активации спринклера. График уравнения (3) имеет вид, представленный на рис. 3.
Pi/a P2/a Рз/а
0
¿А1 tM
Рис. 3. Динамика температуры колбы при превентивной активации спринклера при различных мощностях электронагревателя (Рх>Р2>Р3)
Из выражения (3) и рис. 3 следует тот очевидный факт, что тем больше подводимая мощность Р и чем меньше теплопотери (коэффициент а), тем быстрее спринклер активируется.
Выражение (3) позволяет также оценить время активации tА при заданной подводимой мощности Р электронагревателем (задача анализа):
С„. m, + Cm„
a
ln
a
a (Тв - та) -1
или необходимую мощность Р, если задано время активации tА спринклера (задача синтеза):
Р = a-
Т - Т
Т B Т а
1 - exp
at
A
V Cж тж + Сс тс у
Величину коэффициента потерь а можно оценить, построив график (как на рис. 3) по результатам N экспериментов либо методом наименьших квадратов [10] из условия:
N
N
i =1
P
Т - Та - -a
1 - exp
at,
V Cж тж + Сс тс у
^ mm
для чего воспользоваться численными методами [11].
Таким образом, приведена оценочная математическая модель превентивной активации спринклера за счёт принудительного повышения температуры его колбы электронагревателем. Данная модель может применяться как для решения задач анализа (оценка времени достижения температуры колбы предельного значения) и синтеза (выбор необходимой мощности электронагревателя). В дальнейшем планируется рассмотреть:
t
t
А
2
<
>
- методы уточнённого определения координат очага пожара для принятия решения
0 номере спринклера, который необходимо активировать;
- способы определения коэффициента конвективного теплообмена а;
- построить уточнённую математическую модель нагрева колбы с использованием параметра RTI.
Литературы
1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ (с изм.). Доступ из справ.-правового портала «Гарант».
2. Повзик Я.С. Справочник РТП. М.: ЗАО «Спецтехника», 2001.
3. СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования. М.: МЧС России, 2009. 103 с.
4. Оценка эффективности спринклерных установок пожаротушения / Л.Т. Танклевский [и др.] // Пожарная безопасность. 2015. № 1. С. 72-79.
5. Боевой устав подразделений пожарной охраны, определяющий порядок организации тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ. Приказ МЧС России от 16 окт. 2017 г. № 444. Доступ из справ.-правового портала «Гарант».
6. Теребнёв В.В. Расчёт параметров развития и тушения пожара (Методика. Примеры. Задания). Екатеринбург: ООО «Калан», 2011. (прил. 8).
7. Heskestad G., Bill R.G., Jr. Quantification of Thermal Responsiveness of Automatic Sprinklers Including Conduction Effects // Fire Safety Journal. 1988. Vol. 14. № 1-2. P. 113-125.
8. Fleming R.P. Automatic Sprinkler System Calculations // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA: NFPA, 2002. P. 4-87.
9. Alpert R.L. Ceiling Jet Flows // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA: NFPA, 2002. P. 2-31.
10. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. М.: Мир, 1981. 693 с.
11. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Наука, 1967. 368 с.
References
1. Tekhnicheskij reglament o trebovaniyah pozharnoj bezopasnosti: Feder. zakon ot 22 iyulya 2008 g. № 123-FZ (s izm.). Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».
2. Povzik Ya.S. Spravochnik RTP. M.: ZAO «Spectekhnika», 2001.
3. CP 5.13130.2009. Sistemy protivopozharnoj zashchity. Ustanovki pozharnoj signalizacii
1 pozharotusheniya avtomaticheskie. Normy i pravila proektirovaniya. M.: MCHS Rossii, 2009. 103 s.
4. Ocenka effektivnosti sprinklernyh ustanovok pozharotusheniya / L.T. Tanklevskij [i dr.] // Pozharnaya bezopasnost'. 2015. № 1. S. 72-79.
5. Boevoj ustav podrazdelenij pozharnoj ohrany, opredelyayushchij poryadok organizacii tusheniya pozharov i provedeniya avarijno-spasatel'nyh rabot. Prikaz MCHS Rossii ot 16 okt. 2017 g. № 444. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».
6. Terebnyov V.V. Raschyot parametrov razvitiya i tusheniya pozhara (Metodika. Primery. Zadaniya). Ekaterinburg: OOO «Kalan», 2011. (pril. 8).
7. Heskestad G., Bill R.G., Jr. Quantification of Thermal Responsiveness of Automatic Sprinklers Including Conduction Effects // Fire Safety Journal. 1988. Vol. 14. № 1-2. P. 113-125.
8. Fleming R.P. Automatic Sprinkler System Calculations // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA: NFPA, 2002. P. 4-87.
9. Alpert R.L. Ceiling Jet Flows // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA: NFPA, 2002. P. 2-31.
10. T'yuki Dzh. Analiz rezul'tatov nablyudenij. M.: Mir, 1981. 693 s.
11. Demidovich B.P., Maron I.A., Shuvalova E.Z. CHislennye metody analiza. M.: Nauka, 1967. 368 s.
