CC BY
86
ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ
А. Л. Душкин
канд. техн. наук, заместитель директора Научно-исследовательского центра новых технологий Московского авиационного института, г. Москва, Россия
А. В. Карпышев
канд. техн. наук, директор Научно-исследовательского центра новых технологий Московского авиационного института, г. Москва, Россия
М. Д. Сегаль
д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, г. Москва, Россия
УДК 614.842.615
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКОВ ТОНКОРАСПЫЛЕННЫХ ОГНЕТУШАЩИХ ВЕЩЕСТВ
Обсуждаются вопросы оптимизации параметров газокапельных потоков тонкораспыленной воды сточки зрения достижения максимальной эффективности пожаротушения при горении твердых веществ и легковоспламеняющихся жидкостей. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований. Ключевые слова: пожаротушение, тонкораспыленная вода, размер капли, энергия, диссипация.
При тушении очагов пожаров тонкораспыленной водой осуществляется совместное действие трех механизмов подавления источника возгорания: 1) поглощения тепла из горючих газов, пламени и горящего материала; 2) замещения или оттеснения кислорода от взаимодействующих газов и нагретой поверхности; 3) поглощения излучения пламени, что препятствует распространению огня.
Смачивание и охлаждение горючих веществ легче достигаются каплями размером более 400 мкм, но для этого требуется большее количество воды. Однако при тушении легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) нельзя использовать такие крупные капли, так как при их взаимодействии с поверхностью горящей жидкости происходит разбрызгивание последней, что приводит к увеличению площади пожара. По этой причине ЛВЖ необходимо тушить каплями размером не более 200 мкм. Основные преимущества водяного тумана с размером капель менее 200 мкм состоят в увеличении скорости поглощения тепла из горючих газов и пламени, а также в более равномерном орошении поверхности горючего материала.
В условиях выделения горячих газов с температурой до 1000 К мелкие капли существуют в пространстве ограниченный промежуток времени. Так, капли воды диаметром 40-80 мкм превращаются в пар с температурой 700 К за 0,02-0,06 с, диаметром 180-200 мкм — за 0,20-0,26 с. При этом увеличивается проходимое каплями расстояние в зоне горя-
чих газов от 0,15 до 1 м при их начальной скорости 20 м/с. По указанной причине капли размером более 180 мкм имеют возможность преодолеть пламенную зону и достичь поверхности горючего материала. Положение усугубляется еще и тем, что при горении возникает мощный восходящий поток газов от очага, скорость которого достигает 8 м/с и более (для развитого пожара). Тогда возникает необходимость разгонять капельный поток, чтобы при подлете к горящей поверхности скорость капель превышала 8-10 м/с. Отсюда следует, что наиболее эффективно использовать тонкораспыленную воду для ликвидации пожара на начальной его стадии, когда зона горячих газов не превышает 0,5-1,0 м, а их температура составляет 700 К. Возможность тушения развитого пожара с температурой газов 800-1000 К, при котором практически весь объем заполнен газообразными продуктами горения, реализуется за счет заполнения помещения водяным паром, образующимся при испарении капель. При таком сценарии более оправданно использовать для тушения очень мелкие капли — размером не более 40 мкм, так как при этом увеличивается не только скорость испарения, но и суммарная площадь тепломассообмена при заданном количестве распыленной воды. Указанным способом осуществляется объемное тушение водяным паром, требующее в десятки раз больше времени по сравнению с охлаждением поверхности. Экранирование лучистых потоков от пламени, которое для твердых
и жидких горючих материалов составляет около 60 % всего тепловыделения при пожаре, производится с большей эффективностью каплями диаметром, сравнимым с длиной волны излучения пламени (X « 3^6 мкм), т. е. не превышающим 10 мкм.
Известно, что тепловыделение при горении твердых горючих материалов составляет 70-90 кВт/м2. Тогда при полном использовании воды для охлаждения поверхности до температуры около 50-100 °С и поглощения выделяющегося тепла необходима интенсивность ее подачи 0,03-0,04 кг/м2. Существующие традиционные водяные системы пожаротушения используют не более 30 % объема воды, а 70 % ее осаждается на пол и ограждающие поверхности. При скорости капель 40-100 м/с и их диаметре до 400 мкм достигается 80-90 %-ное использование воды, что позволяет резко сократить количество потребляемой воды и снизить вторичный ущерб от ее применения. Кроме поглощения твердых и газообразных продуктов горения (СО, С02, N0 и т. д.), использование тонкораспыленной воды позволяет улучшить экологические условия в помещениях при наличии в них очагов возгорания.
Снижение интенсивности подавления очагов возгорания, другими словами уменьшение объема потребляемой для пожаротушения воды, может быть достигнуто за счет применения пенообразователей и различных добавок. Для тушения ЛВЖ в настоящее время разработан пенообразователь на основе фторорганических соединений типа АРБР, который создает на поверхности жидкости тонкую водяную пленку. Эта пленка толщиной в десятки микрон препятствует испарению ЛВЖ, что приводит к прекращению горения. Кроме того, данный тип пенообразователя является превосходным смачивателем тлеющих материалов, способствующим проникновению воды в их поры. Для тушения твердых горючих материалов с успехом используются солевые растворы, которые создают на горячей поверхности стекловидную пленку, препятствующую выходу горючих газов (Н2, Н, ОН, СО и др.) из материалов (дерево, ткань, бумага и т. п.) при их пиролизе, что способствует прекращению горения. Данные солевые добавки позволяют понизить температуру замерзания применяемых растворов до минус 40-50 °С и тем самым расширить температурные границы использования систем пожаротушения.
Установлен неочевидный для специалистов эффект высокого электрического сопротивления тонкораспыленных растворов солей, который проявляется при интенсивности их подачи на единицу площади менее 7 л/(м2-с), а для чистой воды — менее 10 л/(м2-с). Так, при напряжении переменного тока 36 кВ на расстоянии 1 м от среза струи до мишени сила тока не превышает 0,3-0,4 мА, что по
существующим в России, Европе и Америке нормам допустимо для человека.
Для создания тонкораспыленных потоков воды используются различные методы ее диспергирования. Процесс дробления жидкости представляется как явление развития неустойчивости течения жидкости со свободными границами в виде струй и пелен. При этом данное явление разделяют на неустойчивость, связанную с воздействием твердой стенки, газа или жидкости на жидкостный поток перпендикулярно вектору его скорости или ускорения, и неустойчивость за счет касательных напряжений, действующих на поверхности жидкости, при наличии разности скоростей в жидкости и обтекающем ее газе или жидкости с другой плотностью. Первый механизм диспергирования характерен для форсунок ударного типа и механических дисперга-торов с большой начальной скоростью истечения (около 100 м/с), например ротационного типа. Второй механизм превалирует в газожидкостных смесителях и соплах, а также в струйных форсунках при начальных скоростях истечения жидкости 20-60 м/с. В реальных диспергаторах оба механизма действуют одновременно.
Из-за сложности рассматриваемых явлений сам процесс разрушения до сих пор не имеет полного математического описания. Развитие неустойчивости течения приводит к деформации и разрушению струй, пленок и первичных капель. Очевидно, при дроблении реализуется баланс сил поверхностного натяжения, вязкости и инерции. Для различных начальных скоростей жидкости относительно газа и физических параметров жидкости и газа (плотность, вязкость, поверхностное натяжение) характер диспергирования существенно меняется.
Необходимо подчеркнуть, что при взаимодействии жидкостного потока с твердой стенкой или газом (жидкостью) за счет интенсивного вихреобра-зования в контактирующих средах большая часть механической энергии диссипируется, что приводит к значительному уменьшению скорости образовавшихся капелек относительно первоначальной скорости жидкости. Сокращение потерь энергии при диспергировании жидкости является одной из первоочередных задач, так как уменьшение скорости ведет, как показано выше, к падению эффективности тушения тонкораспыленной водой. Из баланса кинетической энергии жидкости и потенциальной энергии поверхности капель нетрудно получить значение минимально возможного радиуса капли
г = 65/(рw2),
где 5 — коэффициент поверхностного натяжения;
р — плотность жидкости;
w — начальная скорость жидкости.
40
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТАМ 19
Вода как вещество с наибольшим коэффициентом поверхностного натяжения требует значительной кинетической энергии для создания тумано-подобного капельного потока. Представленный баланс в действительности не может быть реализован, так как в процессе образования сферической капли будет происходить деформация ее поверхности под влиянием сил как инерции, так и вязкости. Известно, что вязкостные напряжения являются первопричиной диссипации механической энергии во внутреннюю. Отклонение поверхности жидкости со свободными границами от равновесной сферической формы сопровождается колебаниями под действием капиллярных сил. Время существования деформированного состояния жидкого элемента сопоставимо с периодом собственных колебаний отрывающихся от объема жидкости капель. Развитие неустойчивости границы жидкости происходит за конечный промежуток времени. Например, для неустойчивости первого типа
I ~ 2гРг/(Р^),
где г — радиус капли;
рг — плотность газа в пространстве истечения.
Если время развития неустойчивости меньше периода колебаний деформированного объема жидкости, то дробление возможно, в противном случае деформация под действием сил поверхностного натяжения и вязкости уменьшается. Оторвавшиеся фрагменты могут вновь раздробиться. Именно эти капли определяют спектр размеров диспергированной жидкости.
Отвлекаясь от начальных деформаций жидкости при выходе из насадка, можно определить влияние диссипации при дроблении названных сферических объемов жидкости на базе известных зависимостей. Так, для создания капель с г = 100 мкм без диссипации достаточно иметь w = 2,1 м/с, с учетом диссипации — w = 2,4 м/с, при этом потеря энергии на диссипацию не превышает 24 %. Для капель с г =5 мкм без учета диссипативных потерь достаточно разогнать жидкость до w = 9,2 м/с, с учетом этих потерь — до w = 24 м/с, а потребная механическая энергия возрастает при этом в 7 раз, т. е. коэффициент полезного действия (отношение энергии, идущей на дробление, к полной энергии потока) не превышает 15 %. Полученные оценки не учитывают физических явлений на этапах первоначальной деформации и создания промежуточных структур в жидкости перед дроблением, что происходит с потерями механической энергии. Так как геометрические параметры капель или пелены в большей степени определяются размерами выходного насадка, то диаметры образованных капель оказываются пропорциональными диаметру выходного
насадка. Наиболее слабое влияние последнего на размер капель характерно для высоконапорного газожидкостного распыления.
Газожидкостные форсунки и сопловые системы с внутренним смешением и последующим разгоном газожидкостного потока позволяют получить очень тонкий распыл воды при больших относительно других способов потерях энергии, обусловленных в основном расширением газа-пропеллента. Так, для осаждения дымовых частиц в выхлопных системах мощных дизельных силовых корабельных установок был создан мелкодисперсный распылитель с эжекцией жидкости воздухом при давлении 0,4-0,5 МПа [1]. Диспергатор генерирует капли со среднеобъемным диаметром, равным 6,05 мкм, при затратах энергии газа, превышающих необходимую энергию для создания потока таких капелек более чем в 20 раз. Распределение капель по размерам, которое получено с использованием дифракционного оптического комплекса "Malvern Spraytec", представлено на рис. 1.
Меньшие потери энергии газа (около 76 %) реализуются в ранцевой установке пожаротушения РУПТ-1-0,4-0,1 при создании высокоскоростного потока распыленной жидкости со среднеобъемным диаметром капель 106,5 мкм (распределение капель по размерам показано на рис. 2). Причем основные потери связаны не с дроблением капель, а с процессами смешения и течения двухфазного потока в трактах устройства. Несмотря на столь существенные потери, газожидкостное распыление позволяет достичь высоких скоростей капель (до 100 м/с) при давлении 0,8 МПа и создать наиболее простые и дешевые устройства для получения капель размером несколько микрон.
Известны ротационные механические форсунки, генерирующие столь мелкие капли. Но для вращения распыляющих дисков или конусов требуется использование высокооборотных механических приводов. Однако такие устройства затруднительно применять для нужд пожаротушения, а их потери
1 10 100 1000 Диаметр частицы, мкм
Рис. 1. Распределение капель по размерам, полученное с использованием дифракционного оптического комплекса "Malvern Spraytec"
10 100 Диаметр частицы, мкм
10 100 Диаметр частицы, мкм
Рис. 2. Распределение капель по размерам для ранцевой установки
Рис. 3. Распределение капель по размерам для огнетушителя
энергии сопоставимы с потерями при газожидкостном распылении.
В настоящее время за рубежом многие фирмы, например "Мапо:Р', используют первый механизм дробления при подаче жидкости в виде струй под давлением более 10 МПа в неподвижный воздух. Однако установлено, что при столь высоком давлении существенно сокращается дальность подачи воды по сравнению с расчетными значениями. В частности, при работе гидродинамических резаков при повышении давления с 1 до 10 МПа дальность полета струй уменьшается в 1,6-1,8 раза, т. е. средняя скорость снижается (а не увеличивается) пропорционально корню квадратному из отношения давлений, как это следует из уравнения Бернулли, в ~ 3,66 раза. Происходит сказанное из-за диссипации энергии, которая увеличивается примерно в 10 раз. Кроме того, технические устройства с высоким давлением вызывают значительные трудности и накладывают ограничения на их практическое использование.
Дробление жидкости путем создания разрушающих возмущений ее поверхности или локальных объемов в большинстве случаев осуществляется при подводе к жидкости механической энергии перепада давления. По сравнению с газожидкостным дроблением в данном случае требуется меньшая энергия, так как исключается работа расширения газа. Наиболее перспективный способ механического дробления реализуется путем соударения струй жидкости. При этом в месте их встречи образуется пленка жидкости, которая под воздействием создавшихся на ней поперечных волн дробится на капли. При давлении 0,7-1,0 МПа разработанная по этому принципу форсунка генерирует капли со среднеобъемным диаметром 170-190 мкм. Потери энергии на создание капельного потока уменьшаются в 2,0-2,5 раза.
Более мелкие капли при механическом дроблении в случае перепада давления в жидкости до 1 МПа создаются центробежными и струйно-цент-
робежными форсунками. Дробление в них осуществляется за счет закрутки подаваемой жидкости. В выходном канале жидкость движется в виде вращающейся пленки, а центр заполняется воздушным вихрем. При истечении закрученная жидкостная пленка распадается, образуя факел в виде полого конуса. Полученная структура капельного потока может быть использована в пожаротушении только для создания завесы или ограничения распространения возгорания. Из-за больших тангенциальных скоростей истекающей пелены потери энергии при создании капель больше, чем при соударении струй, а спектр размеров смещен в область мелких капель.
Потери энергии уменьшаются при заполнении центральной области дополнительным количеством жидкости, т. е. в струйно-центробежных распылителях. При этом поток капель характеризуется более равномерным распределением по сечению струи. Распылитель такого типа использован в высокоэффективном огнетушителе. Спектр размеров капельного потока упомянутого огнетушителя представлен на рис. 3.
Создание высокоскоростного потока капель можно с успехом осуществить использованием ка-витационных явлений в жидкостном потоке при его течении в канале с пережатием. Распыляющие устройства кавитационного типа обладают наибольшей энергетической эффективностью при генерировании высокоскоростного потока капель, так как в них практически нет передачи энергии жидкости материалу механического диспергатора или газу-пропелленту, что наблюдается при известных традиционных способах распыления жидкости. При кавитации осуществляется высвобождение растворенного в воде газа (воздуха при 5 кПа), а затем и водяного пара (при 3 кПа) непосредственно в самой жидкости. В потоке капель появляется множество (106-109 м-3) пузырьков размером 10-5-10-9 м. Жидкость с такими парогазовыми включениями при попадании в атмосферу (около 100 кПа) характеризу-
42
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19
1 10 100 1000 Диаметр частицы, мкм
Рис. 4. Распределение капель по размерам для кавитаци-онного сопла
ется наличием сжимаемости и микроволновыми процессами за счет схлопывания пузырьков. Последнее обстоятельство вызывает в конечном счете ее дробление. Кроме того, кавитация сопровождается интенсивным перемешиванием слоев жидкости, что приводит к выравниванию профиля скорости и более полному взаимодействию жидкости с газом в пространстве распыления.
Было обнаружено, что в зависимости от степени сужения и формы канала реализуются три структуры течения кавитирующей жидкости: 1) периодическое появление и унос потоком парогазовой фазы в виде каверны; 2) присоединенная каверна на границе с твердой стенкой; 3) струйный газожидкостный поток. Для получения мелкодисперсного высокоскоростного потока капель была использована последняя структура кавитационного течения [2, 3]. Такое сопло-распылитель обеспечивает газожидкостный поток со среднеобъемным размером капель 160-200 мкм при давлении на входе 0,8 МПа. Скорость распыленной струи на расстоянии 3,5 м от среза насадка составляет 35 м/с, а расчетная скорость сплошной жидкостной струи равна 40 м/с. Потери кинетической энергии не превышают 25 %. Распределение капель по размерам для рассматриваемого случая представлено на рис. 4.
Таким образом, до сих пор такое нежелательное явление в гидравлических высокоскоростных устройствах, как кавитация, нашло новое высокоэффективное применение при создании высокоскоростных генераторов капельного потока. Экспериментальные исследования и отработка генераторов тонкораспыленного потока проводились в два этапа. Все разработанные устройства испытывались на гидродинамическом стенде с определением расхода при давлениях 0,4-1,6 МПа, дисперсности капель и скорости струи на расстояниях 1,2 и 3,5 м от среза соплового насадка. Гидравлические характеристики определялись традиционным методом, спектр размеров — с помощью оптического дифракционного комплекса фирмы "Malvern", скорость — с использованием оптического измерителя
лазерного типа. Второй этап включал огневые испытания по тушению стандартных очагов воспламенения классов А и В. Эти испытания позволили более полно и достоверно определить эффективность тушения, в то время как другие эксперименты (без горения материала) могли только частично осветить аспекты пожаротушения.
Результаты огневых испытаний по классу А представлены на рис. 5.
Приведенные на рис. 5 зависимости позволяют наиболее демонстративно зафиксировать основные параметры огнетушащего капельного потока, позволяющие достигнуть очень высокой эффективности пожаротушения. Как видно, скорость жидкостного потока сильно влияет на потребную интенсивность пожаротушения. При этом скорости выше 25 м/с достигаются использованием ранцевых установок и огнетушителей, которые применяются пожарными в ручном режиме. Автоматические системы пожаротушения дренчерного и спринклерного типов установлены под потолком и защищают весь объем помещения, но при этом скорость капель при тушении очагов на полу не достигает более 20 м/с при давлении перед оросителем 1,0-1,5 МПа. По указанной причине потребная интенсивность пожаротушения возрастает почти в два раза — с 0,012 до 0,021 л/(м2-с).
Добавки солей в воду эффективно снижают потребную интенсивность пожаротушения. При этом реализуются два эффекта тушения: 1) ингибирова-ние пламенной диффузионной зоны мелкими испаряющимися в ней каплями среднеобъемным размером 60 мкм; 2) создание стеклообразной пленки на поверхности твердого материала.
Следует особо отметить, что полученные величины потребной интенсивности пожаротушения су-
s
5 g
в л н о о № а N о Я
22 20 18 16 14 12 10 8 6
\
XX
X'
—0
10 20 30 40 50 Скорость потока, м/с
60
Рис. 5. Интенсивность подачи тонкораспыленной воды (X) и растворов солей (А — М^С12; □ — (ЫН4)2НР04) в зависимости от скорости потока жидкости (расстояние от распылителя — 3,5 м)
щественно меньше значений, определенных по результатам предшествующих исследований. Анализ работ по изучению процесса распределения тепла при пожаре показывает, что для приближенных расчетов интенсивности подачи воды при тушении пожара можно принять за удельный расход тепла, требуемый для развития пожара, величину (0,5-0,2)0м (0м — теплота сгорания материала). Тогда количество тепла, отбираемого при пожаротушении тонкодисперсным водяным потоком, должно быть не меньше названного значения с учетом коэффициента использования воды. Для древесины в стандартных условиях тепловыделение составляет 0,26 МВт/м2, а для тушения необходимо блокировать 15-20 % этого значения, т. е. 0,04-0,052 МВт/м2. Простой расчет показывает, что для этого необходима интенсивность подачи 0,013-0,018 л/(м2-с) при коэффициенте использования, равном единице.
Из рис. 5 видно, что применение высокоскоростных потоков тонкораспыленной воды позволяет даже несколько понизить минимально возможное значение интенсивности, а также можно сделать однозначный вывод о равенстве степени использования воды при тушении единице.
Тушение горючих жидкостей может быть также с успехом осуществлено тонкораспыленной водой. Чистой водой с размером капель не более 200 мкм ликвидируется горение розливов ЛВЖ, а для тушения стандартных очагов необходима интенсивность не менее 0,2 л/(м2-с), что объясняется в основном на порядок большей удельной теплотой пожара (для гептана — 3,2 МВт/м2). Использование низкократной пены П0-6А3Б (типа АРРБ) позволяет уменьшить это значение до 0,05 л/(м2-с).
В заключение можно сказать, что впервые в России разработан и доведен до наибольшей эффективности способ пожаротушения тонкораспыленной водой, создан ряд устройств для тушения различных материалов и установок под напряжением, а предложенные добавки в воду позволили значительно расширить область применения данного способа в различных климатических районах России.
Созданные генераторы высокоскоростного мелкодисперсного потока капель могут найти применение в смежных областях, а именно: для осаждения дыма, дезактивации, дегазации, дезинфекции, в аппаратах химической технологии, в энергетическом машиностроении, в топливных агрегатах и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2329873 Российская Федерация, МПК В05В 7/00 (2006.01), В05В 7/28 (2006.01). Распылитель жидкости /ДушкинА. Л., КарпышевА. В., Рязанцев Н. Н. ; заявители и патентообладатели : Душкин Андрей Леонидович, Карпышев Александр Владимирович, Рязанцев Николай Николаевич. — № 2006130489/12 ; заявл. 24.08.2006 ; опубл. 27.07.2008, Бюл. № 21.
2. Пат. 2184619 Российская Федерация, МПК 7 В05В1/00. Распылитель жидкости (Варианты) / Душкин А. Л., Карпышев А. В. ; заявители и патентообладатели : Душкин Андрей Леонидович, Карпышев Александр Владимирович. — №2001107433/21 ; заявл. 22.03.2001 ;опубл. 10.07.2002, Бюл. № 19.
3. Пат. 7059543 США, МПК А62С31/02 (2006.01). Liquid Sprayers /AndreyL. Dushkin, Alexander У. Karpyshev. — № 10/472,278 ; заявл. 21.03.2002 ; опубл. 13.01.2006.
Материал поступил в редакцию 23 октября 2009 г. ©Душкин А. Л., Карпышев А. В., Сегаль М. Д., 2010 г.
(e-mail: segal_rsi@mail.ru).
44
ISSN 0869-7493 ПВЖАРВВЗРЫВВБЕЗВПАСНВСТЬ 2010 ТОМ 19
