CC BY
15ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ
УДК 614.842/847
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕНОСНЫХ ОГНЕТУШИТЕЛЕЙ ПРИ ТУШЕНИИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ АВТОМОБИЛЕЙ
Д.С. Куприн;
А.С. Поляков, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Рассмотрены основные подходы к оценке эффективности огнетушителей. Представлен вывод формулы безразмерного показателя эффективности переносных огнетушителей. Приведены результаты экспериментов по определению угла наклона поверхности очага пожара, при котором на ней удерживается наносимое при пожаре огнетушащее вещество. Получены результаты сравнительных огневых испытаний огнетушителей порошковых и с быстротвердеющей пеной. Проведено сравнение их эффективности с помощью сформированного показателя эффективности.
Ключевые слова: показатель эффективности, огнетушитель, быстротвердеющая пена, огнетушащий порошок, тушение пожара, испытания
ABOUT EFFICIENCY OF HANDLE FIRE-EXTINGUISHERS FOR THE AUTOMOBILE SOLID COMBUSTIBLE MATERIALS FIRE-EXTINGUISHING
D.S. Kuprin; A.S. Polyakov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
In the article main approaches of the fire-extinguishers efficiency evaluation are considered. The formula derivation for the non-dimensional index of the handle fire-extinguishers efficiency is presented. Results of the experimental evaluation of the slope of the fire asset surface on which fire-extinguishing substance is able to be hold on during the fire are shown. Results of the comparative fire tests of the powder fire-extinguishers and fire-extinguishers with fast-hardening foam are received. Comparison of these fire-extinguishers efficiency is made with using of the developed efficiency index.
Keywords: efficiency index, fire-extinguisher, fast-hardening foam, fire-extinguishing powder, fire-fighting, tests
Эффективность изделия определяется отношением полученного результата к затратам, потраченным для его достижения. В связи с этим эффективность переносных огнетушителей рассмотрена в следующей последовательности:
- проанализированы существующие взгляды к определению эффективности огнетушителей;
- сформировано аналитическое выражение показателя эффективности огнетушителей;
- проведена экспериментальная проверка аналитического выражения показателя эффективности огнетушителей.
1. Обзор существующих взглядов по определению эффективности огнетушителей.
Существует достаточно широкий спектр различных огнетушителей [1-3]. Для проведения адекватного сравнения их эффективности необходимы методики ее определения.
Разные ученые определяют эффективность огнетушителей различными путями [4-8].
Пивоваров В.В. показал, что время тушения связано с интенсивностью подачи огнетушащего состава соотношением [4]:
(К+рд)(р д-9щ>
где тт - время тушения, [с]; Л - толщина слоя огнетушащего состава, [м]; @ - коэффициент пропорциональности, [м2/с*кг]; д - интенсивность подачи огнетушащего состава, [кг/м2*с]; дкр - критическая интенсивность подачи огнетушащего состава, [кг/м2*с]; ^ - огнетушащая концентрация, [кг/м3].
Кроме того, им выявлена взаимосвязь между оптимальной и критической интенсивностью подачи:
g = 2,4 - gкр.
Также установлено, что расчет минимального удельного расхода следует проводить по следующей формуле:
Ятт =
Отмечается, что разработанная методика не дает возможности провести комплексную оценку уровня качества огнетушителей. Интегральный показатель, полученный в итоге на основе регрессионного анализа, не раскрывает сути процесса тушения, а только отражает отношение единичного параметра (огнетушащей способности) к цене огнетушителя [1].
Сытдыков М.Р. предлагает проводить оценку огнетушителей через безразмерный комплексный показатель [5]:
+А
V Р*т4
Лоп =
Р*Т4 Г 1 (1)
Р*УГ
где Мопс - масса заряда огнетушащего порошкового средства, [кг]; I - длина струи огнетушащего порошкового средства, [м]; Р - рабочее давление в огнетушителе, [кг/м*с2]; т - время истечения огнетушащего порошкового средства, [с]; А1 - работа, затраченная на приведение огнетушащего порошкового средства в аэрозольное состояние в ходе адиабатного процесса расширения воздуха; Уг - объем газа в огнетушителе, [м3].
Величина I ) является полезной энергией, совершающей вытеснение и доставку
массы заряда порошка в очаг пожара из огнетушителя, а произведение {Р • Уг) - полной (суммарно затраченной) ее величиной [5].
Данная методика имеет преимущество в том, что опирается на сущность коэффициента полезного действия, который наглядно характеризует эффективность использования огнетушителя.
Однако показатель (1) имеет существенное ограничение по применению, так как разработан исключительно для оценки эффективности порошковых огнетушителей с учетом особенностей истечения порошковых огнетушащих средств.
Кожевин Д.Ф. предлагает оценку эффективности огнетушителей, определяющую теплофизическую сущность горения и тушения и конструктивные характеристики оцениваемого огнетушителя, по следующим параметрам [6]:
1) флегматизирующая концентрация огнетушащего вещества (ОТВ), Сф, [кг/м3];
2) низшая теплота сгорания пожарной нагрузки, Q, [Дж/кг];
3) площадь пожара, S, [м2];
4) теплопоглощение, q, [Дж/кг];
5) эквивалентная площадь распыла ОТВ при нормальных условия, F, [м2];
6) масса горючего вещества, mгор, [кг];
7) масса ОТВ, mзар, [кг].
К показателям конструктивных характеристик огнетушителя отнесены:
1) масса огнетушителя без заряда, М, [кг];
2) диаметр поперечного сечения огнетушителя, d, [м];
3) высота огнетушителя, ^ [м];
4) давление в огнетушителе, Р, [Па];
5) дальность подачи ОТВ (длина струи), L, [м];
6) длительность полного истечения ОТВ, т, [с].
Методом анализа размерностей им сформирован обобщенный комплексный рейтинговый показатель:
™32ар ЦРРЬ3 и =---
р дтгор52-5СфМкй(т)-2'
Числитель этого показателя отражает эффект тушения пожара, а знаменатель содержит показатели, не способствующие этому [6].
Преимущество данной методики состоит в учете значительного количества теплофизических характеристик горения и тушения и конструктивных характеристик огнетушителя, что позволяет наиболее полно и объективно оценивать его эффективность.
Вместе с тем сравнительная оценка эффективности огнетушителей базируется на структуре показателей эффективности огнетушителей, комплексно учитывающих их нормированные единичные технические параметры, то есть носит исключительно теоретический характер. Огневые сравнительные испытания по тушению модельных очагов пожара при этом не проводились.
Сорокин И.А. сформировал безразмерный комплекс, отражающий эффективность конструкции огнетушителя [7]:
ПЭК=РГ^, (2)
г^стр твых
где Л"ЭК - показатель эффективности конструкции огнетушителя; @ОТВ - расход ОТВ, [кг/с]; Р - давление в огнетушителе, [кг/м*с2]; ¿стр - длина струи ОТВ, [м]; твых - время выхода ОТВ, [с] [7].
Преимущество показателя (2) заключается в иллюстрации конструктивной эффективности огнетушителя. При этом ставится задача максимизации расхода ОТВ, который напрямую влияет на скорость тушения пожара.
Недостаток предложенного показателя в том, что огнетушащая эффективность, то есть эффективность самого ОТВ, никак не учитывается. Ее предложено оценивать, исходя из ранга потушенного модельного очага пожара, по методике [9].
Абдурагимов И.М. предложил показатель эффективности тушения следующего вида [8]:
Пэт =-,
^ОС^Т
где ^ - площадь пожара, [м2]; УОС - общий объем огнетушащего средства, затраченного в процессе тушения данного пожара [л]; ^ - полное время тушения пожара, [с].
Достоинство данного показателя состоит в наглядности и простоте использования при сравнении различных ОТВ. Вместе с тем он не учитывает многих характеристик огнетушителей и не пригоден для оценки их эффективности.
2. Авторские предложения по показателю эффективности огнетушителей.
На основании анализа цитируемых работ и собственного опыта тушения пожаров при формировании показателя эффективности огнетушителя использованы следующие характеристики (в том числе те, которые ранее в исследованиях не применялись):
1) площадь поверхности объекта пожара, F, [м2];
2) угол наклона поверхности объекта пожара, [градус];
3) конечная температура поверхности объекта пожара, Тк, [°С];
4) разность температур поверхности объекта пожара, ЛТ, [°С];
5) время ликвидации пламенного горения, тлпг, [с];
6) время с момента ликвидации пламенного горения до момента полного окончания подачи ОТВ на очаг пожара, Лх, [с];
7) толщина слоя ОТВ, образованного на поверхности потушенного объекта пожара, Л, [м];
8) объем использованного ОТВ на тушение, Уотв, [м3].
Следовательно, показатель эффективности огнетушителя в общем виде должен быть записан таким образом:
Пэо = ^ьпа, ТК,ЛТ, тшг, Лг, Л, Уотв). (3)
В этом уравнении безразмерная величина эта характеризует угол наклона защищаемой поверхности горящего материала.
Как видно из уравнения (3), семь из восьми величин имеют размерности: м, °С, с. В соответствии с п-теоремой, из них сформированы четыре частных безразмерных показателя эффективности (табл. 1).
Таблица 1. Сформированные частные показатели эффективности
№ Уравнения связи в общем виде Корни уравнения Сформированные показатели Физическая сущность показателей
1 П1 = Л^Тлп/1 Тк^ Х1 = -0,5, У1 = 0, 11 = 0 Л К1 = 7Р Относительная толщина слоя ОТВ
2 П2 = АТРХ2ТЛ„Ъ Т/2 = 0, У2 = -1, ¿2 = 0 Ат п2= — 1лпг Относительное время формирования слоя ОТВ на поверхности
3 пз = АТРХзТл„/3 Тк23 = 0, ^з = 0, гз = -1 АТ Тк Относительная степень охлаждения объекта пожара в процессе тушения
4 п. = V Р^Т У4 Т ^ "4 "отв1 1лпг х к Х4 = -1,5, У4 = 0, г4 = 0 V 'отв П4 = ^1,5 Относительный объем ОТВ
Из них образован обобщенный показатель, включающий в себя симплексы с п по п4:
п1п2п3 ЛЛтЛТР
П =-= т Т I/ . (4)
п4 ^лпгТ к ^отв
В числитель формулы (4) также необходимо ввести безразмерный множитель s iп а. Окончательная формула комплексного безразмерного показателя эффективности огнетушителя выглядит следующим образом:
hAxATFsina
Пэо = -TTF- (5)
ьлпг± куотв
Числитель показателя Пэо характеризует результат тушения объекта пожара, знаменатель - ресурсы, затраченные на его тушение. Соответственно, чем выше значение показателя, тем выше эффективность огнетушителя.
3. Экспериментальная проверка аналитического выражения показателя эффективности огнетушителей.
Во всех сравнительных испытаниях применяли огнетушители ОТПТ-6 (с быстротвердеющей пеной) и ОП-6(з)-АВСЕ (порошковый).
Для определения эт а (с целью сокращения необходимого количества огневых испытаний) разработан экспериментальный стенд (рис. 1), который позволял использовать образцы основных твердых материалов, применяемых в автомобилях: резина, твердый пластик, натуральная кожа, окрашенная сталь.
Рис. 1. Экспериментальный стенд для определения угла наклона защищаемой поверхности: 1 - образец защищаемой поверхности; 2 - шкала угла наклона; 3 - наклоняемая платформа
На расположенный горизонтально образец материала (1) наносят ОТВ из огнетушителя в количестве, при котором на поверхности создается слой ОТВ толщиной 3 мм. Образец крепят на платформе (3), после чего ее плавно поднимают со скоростью 2 °/с. По шкале (2) следят за углом наклона. Платформу поднимают до тех пор, пока с поверхности образца не начнет стекать или обсыпаться ОТВ. Искомым углом наклона является максимальный угол наклона платформы, при котором ОТВ не стекает или не ссыпается с поверхности образца. Для каждого вида ОТВ и материала образца проводят четыре параллельных испытания и вычисляют среднее значение угла.
Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2. Значения углов наклона образцов с нанесенными на их поверхности ОТВ
Материал образца Быстротвердеющая пена Огнетушащий порошок
№ 1 № 2 № 3 № 4 Среднеариф метическое значение № 1 № 2 № 3 № 4 Среднеарифмети ческое значение
Окрашенная сталь 50° 60° 55° 60° 56° 45° 35° 35° 40° 39°
Твердый пластик 55° 65° 70° 70° 65° 35° 35° 30° 30° 33°
Резина 70° 80° 90° 90° 83° 40° 40° 40° 35° 39°
Натуральная кожа 80° 80° 85° 85° 83° 40° 40° 45° 40° 41°
Следующий этап определения sin а состоял в подтверждении значений углов (табл. 2) результатами огневых испытаний.
Для этого образцы материалов крепили на верхней грани модельного очага пожара (рис. 2) под углами наклона согласно табл. 2 (среднеарифметические значения).
Рис. 2. Образцы твердых горючих материалов, закрепленные на модельном очаге пожара ранга 1А: 1 - модельный очаг пожара 1А; 2 - образец из резины; 3 - образец из окрашенной стали; 4 - образец из натуральной кожи; 5 - образец из пластика
Остальные величины формулы (5) также определяли в ходе огневых испытаний по методике [9] на модельном очаге пожара ранга 1А.
Основные пожароопасные свойства данных материалов и древесины представлены в работах [10, 11].
Для вычисления показателя эффективности огнетушителя по формуле (5) непосредственно перед началом тушения измеряют температуру поверхности очага пожара, в процессе испытания замеряют время ликвидации пламенного горения и общее время подачи ОТВ, после тушения замеряют толщину слоя ОТВ на очаге пожара, температуру поверхности очага пожара и количество израсходованного на тушение ОТВ.
Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты огневых испытаний по тушению модельных очагов пожара 1А
Показатель Огнетушитель ОТПТ-6 Огнетушитель ОГ [-6(з)-АВСЕ
№ 1 № 2 № 3 № 4 Средне ариф. знач. № 1 № 2 № 3 № 4 Средне ариф. знач.
Тк, °С 52 47 68 54 55 126 157 143 185 153
ЛГ, °С 596 565 597 635 599 526 521 518 508 518
h, м 0,0020 0,0020 0,0015 0,0015 0,0018 0,0010 0,0010 0,0010 0,0010 0,0010
^лпг, с 18 21 23 16 20 45 51 48 53 49
Лт, с 54 51 45 57 51 22 17 17 11 17
Kh^ м3 0,0060 0,0048*
F, м2 4,7
*объем огнетушащего порошка в огнетушителе ОП-6 определен с помощью заполнения им мерной емкости и уплотнения порошка путем постукивания емкости о твердую поверхность в течение 5 мин
В процессе огневых испытаний слои ОТВ с данных поверхностей не стекали и не ссыпались. Таким образом, значения углов, указанных в табл. 2, подтверждены.
Среднеарифметическое значение угла наклона образцов разных материалов с нанесенной на их поверхности быстротвердеющей пеной составляет 72° против 38° с огнетушащим порошком.
Соответственно, показатель эффективности огнетушителя с быстротвердеющей пеной ОТПТ-6 составляет Пэо = 37,24. Порошковый огнетушитель ОП-6(з)-АВСЕ имеет Пэо = 0,71.
Выводы:
1. Предлагаемый безразмерный комплексный показатель эффективности огнетушителя (5) учитывает опосредованные характеристики огнетушащей способности ОТВ (продолжительность ликвидации пламенного горения и подачи ОТВ на очаг пожара, разность температур поверхности объекта пожара до и после его тушения, наклон поверхности объекта пожара), которые ранее в научных работах не использовались, поэтому может считаться более достоверным.
2. Достоверность и точность комплексного показателя эффективности (5) подтверждена результатами огневых испытаний огнетушителя с быстротвердеющей пеной ОТПТ-6 и огнетушителя порошкового ОП-6(з)-АВСЕ, по которым огнетушитель ОТПТ-6 превосходит ОП-6(з)-АВСЕ более чем в 50 раз.
3. Представленные результаты теоретического и экспериментального исследования методов оценки эффективности огнетушителей более полно отражают объективную реальность, сложившуюся при испытаниях этих изделий, и позволяют применять их для практического использования.
Литература
1. Собурь С.В. Огнетушители: учеб.-справ. пособие. 11-е изд., с изм. М.: ПожКнига, 2018. 80 с.
2. Thyer A.M. A review of installations, standards and design requirements of fixed and on-board fire suppression systems // Health and Safety Laboratory. United Kingdom. 2005. 31 p.
3. 5 best fire extinguishers for cars (review and buying guide) in 2019. URL: https://www.carbibles.com/best-fire-extinguishers-reviewed/ (дата обращения: 02.10.2020).
4. Пивоваров В.В. Разработка тактико-технических показателей и оценка эффективности огнетушителей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: ВИПТШ, 1988. 22 с.
5. Сытдыков М.Р. Методика оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью (применительно к пожароопасным производственным
объектам нефтебаз): дис. ... канд. техн. наук. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2013. 115 с.
6. Кожевин Д.Ф. Методика комплексной оценки эффективности огнетушителей: дис. ... канд. техн. наук. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2011. 120 с.
7. Сорокин И.А., Поляков А.С., Кожевин Д.Ф. Методика оценки эффективности конструкции порошковых огнетушителей // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2020. № 2. С. 16-23.
8. Абдурагимов И.М., Куприн Г.Н., Куприн Д.С. Быстротвердеющие пены - новая эра в борьбе с лесными пожарами // Издательство «Пожары и ЧС». 2016. № 2. С. 7-13.
9. ГОСТ Р 51057-2001. Техника пожарная. Огнетушители переносные. Общие технические требования. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 2002.
10. Корольченко А.Я., Корольченко ДА. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник. М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. Ч. 1. 713 с.
11. Корольченко А.Я., Корольченко ДА. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник. М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. Ч. 2. 774 с.
References
1. Sobur' S.V. Ognetushiteli: ucheb.-sprav. posobie. 11-e izd., s izm. M.: PozhKniga, 2018. 80 s.
2. Thyer A.M. A review of installations, standards and design requirements of fixed and on-board fire suppression systems // Health and Safety Laboratory. United Kingdom. 2005. 31 p.
3. 5 best fire extinguishers for cars (review and buying guide) in 2019. URL: https://www.carbibles.com/best-fire-extinguishers-reviewed/ (data obrashcheniya: 02.10.2020).
4. Pivovarov V.V. Razrabotka taktiko-tekhnicheskih pokazatelej i ocenka effektivnosti ognetushitelej: avtoref. dis. ... kand. tekh. nauk. M.: VIPTSH, 1988. 22 s.
5. Sytdykov M.R. Metodika ocenki effektivnosti poroshkovogo ognetushitelya so vstroennoj poristoj emkost'yu (primenitel'no k pozharoopasnym proizvodstvennym ob"ektam neftebaz): dis. ... kand. tekh. nauk. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2013. 115 s.
6. Kozhevin D.F. Metodika kompleksnoj ocenki effektivnosti ognetushitelej: dis. ... kand. tekh. nauk. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2011. 120 s.
7. Sorokin I.A., Polyakov A.S., Kozhevin D.F. Metodika ocenki effektivnosti konstrukcii poroshkovyh ognetushitelej // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2020. № 2. S. 16-23.
8. Abduragimov I.M., Kuprin G.N., Kuprin D.S. Bystrotverdeyushchie peny - novaya era v bor'be s lesnymi pozharami // Izdatel'stvo «Pozhary i CHS». 2016. № 2. S. 7-13.
9. GOST R 51057-2001. Tekhnika pozharnaya. Ognetushiteli perenosnye. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya. Metody ispytanij. M.: Izd-vo standartov, 2002.
10. Korol'chenko A.Ya., Korol'chenko D.A. Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov i sredstva ih tusheniya: spravochnik. M.: Associaciya «Pozhnauka», 2004. Ch. 1. 713 s.
11. Korol'chenko A.Ya., Korol'chenko D.A. Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov i sredstva ih tusheniya: spravochnik. M.: Associaciya «Pozhnauka», 2004. Ch. 2. 774 s.
