CC BY
72
Тушение пожаров
УДК 614.841
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ И ВЕЩЕСТВ НА ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
Н.Н. Брушлинский , Е.А. Мешалкин
Академия ГПС МЧС РФ
М.Х. Усманов, В.П. Семенов, Д.В. Соловьев, В.Ф. Стецюк
ВТШПБ МВД РУз
А.И. Исламов
ГУПБ МВД РУз
Рассматриваются преимущества новой технологии защиты личного состава и пожарной техники от высокой интенсивности теплового излучения пожара, разработанной совместно учеными Узбекистана и России. Производится анализ причин низкой эффективности тушения пожаров твердых горючих материалов. На примере условного пожара показано, что при использовании огнезащитных устройств эффективность тушения ТГМ можно увеличить более чем в 40 раз при экономии воды, достигающей 85%.
Введение
В материалах XV научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков", Часть 1. Москва, 1999 г., в редакционной статье "Новые технологии пожаротушения и системы для их реализации" приводятся основные проблемы тушения пожаров и пути их решения [1]. Применительно к тушению пожаров твердых горючих материалов и веществ (ТГМ) были отмечены следующие проблемы:
— ущерб от самого процесса тушения, связанный с использованием при тушении значительного количества воды;
— тушение пожаров с высокой интенсивностью теплового излучения (когда трудно приблизиться к очагу пожара из-за ограниченной дальности действия пожарного оборудования).
В статье также указывается, что решение вышеизложенных проблем может быть получено, если удастся существенно снизить потребное количество жидкости для тушения и увеличить скорость и эффективность тушения, что может быть достигнуто реализацией при тушении пожаров ТГМ новых технологий получения высокоскоростных мелкодисперсных струй воды [1].
Новая технология защиты личного состава и пожарной техники от высокой интенсивности теплового излучения пожара, разработанная совместно учеными Узбекистана и России [2], позволяет успешно решать не только проблемы противодействия опасным факторам пожара, но и может кардинальным образом продвинуть решение вышеуказанных проблем по тушению ТГМ.
Оценка эффективности тушения пожаров ТГМ на открытом пространстве при использовании огнезащитных устройств
Проблема количественной оценки эффективности тушения пожаров ТГМ при использовании огнезащитных устройств (ОУ) заключается, прежде всего, в отсутствии сколько-нибудь значительного практического опыта использования ОУ при тушении реальных пожаров.
Огнезащитные устройства по своему функциональному назначению являются высокоэффективными средствами защиты личного состава и пожарной техники от высоких уровней лучистой энергии пламени пожара. Понижая интенсивность излучения в 100-200 раз [2], огнезащитные устройства, не оказывая непосредственного воздействия на сам
процесс прекращения горения, позволяют приблизиться к фронту или очагу пожара на сколь угодно малое расстояние и применить для тушения наиболее эффективные способы и приемы подачи воды или другого огнетушащего средства. При этом ОУ резко улучшают условия боевой работы личного состава.
Таким образом, проблема оценки эффективности тушения пожаров ТГМ при использовании ОУ сводится к оценке эффективности выбранного способа тушения в зависимости от расстояния подачи огнетушащего средства. При этом следует учитывать сложность обстановки на пожаре, скорость сосредоточения и развертывания ОУ, эффективность пожарной техники и применяемого огнетушащего средства при использовании ОУ, снижение ущерба от пожара и т.д.
Конечными и итоговыми показателями, характеризующими как эффективность тушения пожаров ТГМ, так и эффективность использования ог-нетушащего средства (ОС), являются:
1 — время тушения пожара тт(час, мин, с);
2 — площадь пожара Бп (м2);
3 — удельный расход ОС, равный
Руд = -п -Тт(л/м2),
где — — интенсивность подачи огнетушащего средства (л/м2-с).
Зная фактическое значение удельного расхода Рфд, можно оценить эффективность использования ОС через коэффициент использования ОС:
QT
К = уд
И Q4 '
где Руд- теоретически необходимый удельный расход ОС [3].
Произведенным анализом причин низкой эффективности тушения пожаров ТГМ установлено, что тушение пожаров ТГМ является в основном проблемой тушения скрытых поверхностей горения [3], которая тесно связана с проблемой противодействия опасным факторам пожара (ОФП) и, в первую очередь, теплофизическим и конвективным составляющим пожара [4].
При тушении пожаров на открытом пространстве мы имеем дело с передачей лучистой энергии от пламени, которое препятствует боевым действиям личного состава подразделений без специальных средств защиты.
Для человека допустимая интенсивность излучения равна 1050 Вт/м2, исходя из которой безопасное расстояние нахождения личного состава, например, от горящего штабеля лесопиломатериа-лов, составляет более 40 метров [4]. Это приводит к необходимости подачи мощных компактных струй воды с больших расстояний.
При отсутствии сопротивления воздуха полет водяной струи происходит как полет материальной
точки, брошенной под углом к горизонту с начальной скоростью, и описывает параболу.
Горизонтальная дальность полета струи в этом случае могла бы определяться по закону полета материальной точки
V2
L = —• sin а, 2g
где L — горизонтальная дальность полета струи при наклоне ствола к горизонту под углом а; Vn — начальная скорость струи при выходе из спрыска ствола (м/с); g — ускорение силы тяжести (м/с2); а — угол наклона ствола к горизонту.
Реальный полет водяной струи происходит в атмосфере, и следовательно, будет иметь место отклонение от указанного выше закона.
При малых давлениях у ствола, которым соответствуют малые скорости Vn, отклонение полета струи от указанного закона будет незначительным, но с увеличением давления, а следовательно, и Vn отклонение увеличивается.
Экспериментально установлено, что максимальная дальность полета струи воды наблюдается при углах наклона ствола к горизонту а = 30^35° [5], т.е. подачу воды на максимальное расстояние можно осуществить только при использовании навесных пожарных струй. При этом эффективность тушения пожара очень низка, т.к. компактная струя, пройдя сквозь зону горения, не окажет на нее почти никакого воздействия, а сам процесс взаимодействия с горящим материалом будет малоэффективным [6]. Кроме того, площадь орошения компактной струей воды небольшая, следовательно, чтобы оросить большие горящие поверхности, необходимо постоянно маневрировать стволом. При переносе струи с уже потушенного участка на горящие воздействие лучистой энергии с соседних горящих участков приводит к повторному возгоранию уже потушенного.
Необходимо также отметить, что большое влияние на длину компактной струи оказывает ветер. При боковом и, особенно, встречном ветре длина компактной струи значительно уменьшается [7]. Ветер и раскаленные потоки газов и продуктов сгорания конвективной колонки, образуемой над очагом пожара, сносят распыленную часть компактной струи в сторону [7]. Часть поданной воды испаряется в зоне горения и не достигает горящей поверхности ТГМ.
Особенно большие потери поданного ОС происходят при воздействии ветра, конвективной колонки и высокой температуры зоны горения на распыленные струи воды, подаваемые с большого расстояния.
Поведение капель распыленной части компактной струи или распыленных струй воды при воз-
действии конвективной колонки и высокой температуры зоны горения можно оценить следующими примерами.
Проведенными модельными испытаниями, где в качестве дисперсной фазы взят кварцевый песок, а очагом горения служит типовой штабелек древесины, установлено, что при диаметре частиц менее 0,7 мм, даже для неиспаряющейся дисперсной среды, независимо от высоты ее подачи над очагом горения, лишь 40-45% поданного количества ОС достигает поверхности горения [8].
Из литературного источника [9] следует, что при воздействии пламени зоны горения капли воды радиусом 50 мкм успевают полностью испариться, даже при скорости полета равной 16 м/с, а капли радиусом 100 мкм испаряются лишь частично.
В силу указанных выше причин происходит бесполезный пролив воды при тушении пожаров ТГМ, а коэффициент использования ОС едва достигает 2% [8]. Это означает, что на каждые поданные 100 л воды на сам процесс прекращения горения используется только 2 л, а остальные 98 л бесполезно проливаются.
Обработка статистических данных по тушению реальных пожаров, связанных с горением ТГМ, показывает, что средние удельные расходы воды на тушение таких пожаров лежат в пределах 150-200 л/м2 для наиболее успешно потушенных пожаров и до 1200-1700 л/м2 для сложных пожаров [8].
Повысить эффективность тушения пожаров ТГМ можно, используя более эффективные способы и приемы подачи воды, например, вместо компактных подавать распыленные и тонкораспыленные струи с предельно близкого расстояния. В этом случае удельные расходы воды на тушение пожара снижаются в 10-15 раз за счет повышения коэффициента использования ОС [8]. Эффективность применения распыленных и тонкораспыленных струй воды при тушении пожаров ТГМ подтверждается и литературным источником [11], из которого следует, что изменение в режиме подавления пожара распыленными струями приводит к значительному (~10 раз) уменьшению требуемого расхода воды. При этом установлено, что большие капли воды намного эффективнее для подавления пожара на открытых поверхностях [11]. Это объясняется тем, что основным механизмом прекращения тления ТГМ, по-видимому, можно считать охлаждение поверхности горящего материала до температуры начала его пиролиза. Наиболее существенную роль здесь играют теплофизи-ческие процессы, происходящие при снижении температуры поверхности материала.
Анализом влияния основных факторов на процесс ликвидации тлеющего очага горения установ-
лено, что время тления и пламенного горения отличаются на 1-2 порядка [12], т.е. осуществлять тушение ТГМ энергетически выгодно путем отвода тепла от горящей поверхности [13].
Эффективность тонкораспыленной воды обусловлена высокой удельной поверхностью, что повышает охлаждающий эффект и проникающее действие воды непосредственно в очаги горения, особенно тлеющие.
Согласно литературному источнику [14], наибольшей эффективностью обладают частицы воды дисперсностью 100-200 мкм. Уменьшение частиц до размера менее 100 мкм не приводит к повышению эффективности тушения. Это обусловлено невозможностью транспортировки ОС столь малого размера в зону горения вследствие испарения воды в пограничной тепловой зоне и конвективного уноса частиц воды при подлете к очагу [14].
Очевидно, для повышения эффективности использования воды необходимо повышать дисперсность капель воды при одновременном увеличении их кинетической энергии, что должно на основании качественного анализа процесса увеличить охлаждающий и изолирующий эффект в результате увеличения удельной поверхности и количества воды, попадающей в очаг горения [14]. Достичь этого результата практически очень сложно из-за малой дальности полета распыленных струй. Так, например, по данным ВНИИПО эффективная дальность распыленной струи воды из ствола с условным проходным диаметром 50 мм составляет 5 м, а из ствола с условным проходным диаметром 70 мм — 10 м [10].
Как указывалось выше, ОУ позволяют приблизиться к фронту или очагу пожара на любое малое расстояние и подать на тушение распыленные или тонкораспыленные струи воды. Таким образом, проблема количественной оценки эффективности тушения пожаров ТГМ, при использовании ОУ, сводится к оценке огнетушащей эффективности распыленных и тонкораспыленных струй воды, поданных с малого или предельно малого расстояния.
Учитывая всю сложность решения поставленной задачи без проведения огневых опытов, ограничимся анализом только качественных показателей, оценивающих огнетушащую эффективность распыленных струй в зависимости от расстояния их подачи.
Оценку следует делать по таким показателям, как:
— потеря ОС при транспортировке к очагу пожара;
— эффективность срыва пламени;
— повышение скорости отвода тепла от зоны горения и горящей поверхности ТГМ;
— эффективность предотвращения доступа кислорода воздуха (окислителя) в зону горения.
Для анализа причин изменения огнетушащей эффективности распыленных струй воды в зависимости от расстояния их подачи рассмотрим полет распыленной воды в воздухе.
Полет распыленной струи можно представить в виде расширяющего потока летящих капель воды в воздухе. При отсутствии потерь жидкости при транспортировке к очагу пожара масса жидкости, достигающая горящей поверхности ТГМ, будет равна выбрасываемой массе жидкости из прибора подачи в единицу времени
m,
m,
- = рДУн = р2^2~Ук, (кг/с), (1) т т
где т! — выбрасываемая масса жидкости из прибора подачи (кг);
т2 — масса жидкости, достигающая горящей
поверхности ТГМ (кг);
т — выбранная единица времени (с);
П — массовая плотность потока капель
жидкости в сечении 1 - 1, находящегося в
непосредственной близости от спрыска
(кг/м3);
п2 — массовая плотность потока капель жидкости в сечении 2 - 2, находящегося в непосредственной близости от горящей поверхности (кг/м3);
— площадь потока в сечении 1 - 1 (м2); Б2 — площадь потока в сечении 2 - 2 (м2);
Ун — средняя начальная скорость потока (м/с); Ук— средняя конечная скорость потока (м/с). Отсюда, взаимосвязь между поверхностными плотностями потока в сечениях 1 - 1 и 2 - 2 можно
представить в виде неравенства
/ \
m
^ >
m
х-S т-S,
кг
с - м
T,K.Sj < S2.
(2)
С учетом того, что полученная размерность поверхностной плотности потока (кг/с-м2) соответствует размерности поверхностной интенсивности подачи — (кг/с-м2), тем самым устанавливается взаимосвязь между интенсивностью и Ьп — расстоянием подачи ОС
Тп = ^п).
Действительно, с увеличением Ln поверхностная интенсивность снижается, так как увеличивается площадь одновременного равномерного орошения горящей поверхности ТГМ, и наоборот, с уменьшением Lп интенсивность увеличивается и достигает своего максимального значения в непосредственной близости от спрыска прибора подачи.
Известно, что с уменьшением J время прекращения горения увеличивается, а при увеличении J — уменьшается [15].
Отсюда следует, что доминирующим фактором, влияющим на огнетушащую эффективность распыленных струй в зависимости от La, является наблюдаемый характер изменения поверхностной плотности потока капель воды по длине струи.
Из литературного источника [1] следует, что срыв пламени обеспечивается количеством движения струи, т.е. произведением секундной массы (расхода) воды на скорость струи.
Выводы
1. Проведенным анализом литературных источников систематизированы причины низкой эффективности тушения пожаров твердых горючих материалов и веществ.
2. Огнезащитные устройства являются высокоэффективными средствами защиты личного состава и пожарной техники от термического воздействия пожара. Понижая интенсивность излучения пламени пожара в 100-200 раз, ОУ позволяют приблизиться к фронту или очагу пожара на любое малое расстояние и использовать наиболее эффективные способы и приемы подачи воды или другого огне-тушащего средства.
3. Разработанная модель распыленной капельной струи позволяет качественно оценить ее огнетуша-щую способность в зависимости от расстояния подачи огнетушащего средства при использовании ОУ.
4. На примере условного пожара показано, что при использовании огнезащитных устройств эффективность тушения ТГМ можно увеличить более чем в 40 раз при экономии воды, достигающей 85%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков // Материалы XV научно-практической конференции. Часть 1. МВД РФ ВНИИПО. М, 1999. С.231-232.
2. Брушлинский Н.Н., Копылов Н.П., Серебренников Е.А., Касымов Ю.У., Лобанов Н.Б., Усманов М.Х. Новые огнезащитные устройства. Крупные пожары. Предупреждение и тушение // Материалы XV научно-практической конференции. // Часть 2. МВД РФ ВНИИПО. М, 2001. С. 321.
3. Абдурагимов И.М. Оценка эффективности и качества тушения ТГМ. Труды ВИПТШ МВД СССР. М, 1978.
4. Справочное пособие по пожарной тактике. ВИПТШ МВД СССР. М, 1975. С. 43-44, рис. 1.8.
5. Антонов Н.М. Характеристика пожарных ручных стволов типа ПС-50, ПС-70, КР-Б и РС-Б и водоизмерительных приборов. Информационный сборник. Пожарная техника. ГУПО ЦНИИПО. М, 1958. C. 4-5.
6. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. ВИПТШ МВД СССР. М, 1980. С. 184
7. Ходаков В.Ф. Специальный противопожарный водопровод с лафетными установками. Высшая школа МООП СССР. М, 1968. С. 19.
8. Абдурагимов И.М., Вильчковский С.К., Ринков К.М., Яворский Г.А. О повышении эффективности и коэффициента использования огнетушащих составов при тушении пожаров ТГМ. Труды ВИПТШ МВД СССР. М, Вып. 3. 1978г. С. 10-12.
9. Информационный сборник. Механизм тушения пламени нефтепродуктов в резервуарах. ЦНИИПО ГУПО. М, 1958. С. 75.
10. Нормы пожарной безопасности. Техника пожарная. Стволы пожарные ручные. МВД РФ ГПС. М, 2000. С. 6, табл. 2.
11. Новожилов В. Численное моделирование струй распыленной воды // Пожаровзрывобезопасность. №11. С. 32, 37.
12. Николаев В.М., Смирнов Н.В., Арбузов Н.Б. Особенности тушения тлеющих материалов газовыми и газоаэрозольными средствами тушения. Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков // Материалы XV научно-практической конференции. Часть 1. ВНИИПО МВД РФ. М, 1999. С. 257.
13. Абдурагимов И.М. Критерий тушения пожаров охлаждающими огнетушащими средствами // Журнал Всесоюзного химического общества им. Менделеева. Том XXVII №1. 1982. С. 11.
14. Дымов С.М., Цариченко С.Г., Былинкин В.А. Применение тонкораспыленной воды в практике пожаротушения. Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков // Материалы XV научно-практической конференции. Часть 1. ВНИИПО МВД РФ. М. 1999. С. 268.
15. Кимстач И.Ф., Девлишев П.П., Евтюшкин Н.М. Пожарная тактика М.: Стройиздат. 1984. С. 71.
16. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948.
17. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949.
18. Тушение пожаров водой нормального и высокого давления. Guttler Ernst. Normal pressure, high pressure: a comparison "Fine int" 1972.4.№37. 94-101 ij. (англ., франц., нем. Результаты испытаний).
