CC BY
30
М. Р. СЫТДЫКОВ, старший преподаватель кафедры пожарной безопасности технологических процессов и производств, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, г. Санкт-Петербург, Россия Д. Ф. КОЖЕВИН, канд. техн. наук, заместитель начальника кафедры физико-химических основ процессов горения и тушения, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, г. Санкт-Петербург, Россия А. С. ПОЛЯКОВ, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры физики и теплотехники, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, г. Санкт-Петербург, Россия
УДК 622.69
ОЦЕНКА СОВЕРШЕНСТВА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ТРАКТА ПОРОШКОВЫХ ОГНЕТУШИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА АНАЛИЗА РАЗМЕРНОСТЕЙ
Неполнота выхода огнетушащего вещества из порошковых огнетушителей вследствие несовершенства их конструкции снижает эффективность работы огнетушителей в несколько раз, что подрывает доверие потребителя к первичным средствам пожаротушения. Одной из причин этого является несовершенство пневматического тракта движения огнетушащего порошкового состава. Приведены результаты анализа энергетических затрат на вытеснение порошка в очаг пожара для наиболее распространенных сертифицированных типоразмеров огнетушителей. В основу исследования положен экспериментальный метод оценки эффективности истечения огнетушащего порошкового состава и метод анализа размерностей.
Ключевые слова: огнетушитель; технические параметры; совершенство пневматического тракта; эксперимент; метод анализа размерностей.
При проведении специальных испытаний огнетушителей ОП-1 исследователи столкнулись с неожиданным и неприятным эффектом: остаток огнетушащего порошкового состава (ОПС) в корпусе достигал в среднем около 30 % [1]. При перезарядке и повторных испытаниях огнетушителей ситуация повторилась. Обращение к электронным средствам информации [2] убедило нас в том, что это не единичные факты, поэтому они заслуживают самостоятельного изучения, поскольку подрывают доверие потребителя к первичным средствам пожаротушения, призванным защищать человека и его имущество на начальном этапе возгорания [3]. К сожалению, в рамках исследования, результаты которого изложены в этой статье, подобные факты также имели место.
Предположительно, одной из причин этого эффекта может быть несовершенство пневматического тракта движения огнетушащего порошкового состава. В связи с этим нами изучены статистические данные [4], анализ которых показал, что однотипные огнетушители имеют неодинаковые энергетические затраты на вытеснение порошка в очаг пожара.
Под энергетическими затратами понимается произведение начального давления и объема газа в огнетушителе. Под удельными энергетическими затратами понимается величина энергии газа, отне-
© Сытдыков М. Р., КожевинД. Ф., Поляков А. С., 2012
сенная к массе порошка, содержащегося в огнетушителе.
В качестве иллюстрирующего примера представлено изменение характеристики энергии по мере развития порошковых огнетушителей типоразмера ОП-2 (рис. 1), поскольку для других типоразмеров наблюдается аналогичная картина. Цифры на рисунках относятся к соответствующему образцу огнетушителя (рассмотрен 21 образец).
4,9
и 4>4
б? 3,9
св
й 3,4
(н
I 2,9
12'4
§ 1,9
& 1,4 н
° 0,9 0,4
9 ■4
3 1
21 15
20 5 6 1 ■ ■ 8 I11 ■
■ 10 ■ 2 18;19| 113 114
7 ■ ■12
17 ■
116
00 сл
о
о
СЧ
о о сч
Год производства
Рис.1. Изменение энергии сжатого газа в огнетушителях типо -размера ОП-2 по годам их производства
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4
51
Таблица 1. Характеристики элементов конструкции огнетушителей
Типоразмер огнетушителя Конструкция сифонной трубки* Высота сифонной трубки к, мм Внутренний диаметр сифонной трубки й, мм Расстояние от дна огнетушителя до сифонной трубки к1, мм Высота среза сифонной трубки Ь, мм Высота огнетушителя Н, мм Остаток ОПС в огнетушителе М1
кг %
ОП-1 Без среза 150,00 8,20 24,00 - 180,00 0,52 52,0
ОП-2 Без среза 172,00 8,00 42,00 — 220,00 0,68 34,0
Со срезом 201,00 10,00 13,00 17,70 220,00 0,31 15,5
ОП-4 Без среза 383,00 11,00 5,00 - 394,00 0,05 1,25
Со срезом 373,00 11,00 15,00 19,10 394,00 1,80 45,0
ОП-5 Без среза 245,00 10,00 21,00 17,7 272,00 0,53 13,3
Со срезом 271,00 9,00 33,00 16,30 310,00 1,02 27,6
470,00 14,50 4,00 14,50 480,00 1,22 15,3
ОП-8 Со срезом
464,00 14,50 10,00 15,80 480,00 0,98 12,3
* Конструкция сифонной трубки без среза приведена на рис. 1, а, со срезом — на рис. 1, б.
тЛ
К
\
с1 I
Рис. 2. Типы сифонных трубок в обследованных порошковых огнетушителях: а — без среза; б — со срезом; 1 — корпус огнетушителя; 2 — сифонная трубка; Ь — высота среза трубки; к1 — расстояние от дна до низа трубки; к — высота трубки; Н — высота корпуса
Для выяснения сущности обнаруженного явления проведено исследование наиболее распространенных сертифицированных типоразмеров огнетушителей (ОП-1, ОП-2, ОП-4, ОП-5, ОП-8), состав которых подобран совершенно случайно (огнетушители выпущены пятью разными производителями, находящимися в разных и удаленных друг от друга городах Северо-Западного региона России). Результаты исследования и измерений (после экспериментального срабатывания, без тушения очага пожара) представлены на рис. 2ив табл. 1 (без указания производителя, под порядковыми номерами, чтобы исключить элементы рекламы и антирекламы исследованной продукции).
Из табл. 1 следует: • остаток ОПС в ряде случаев существенно превышает 15 %, т. е. допускаемую нормативными документами величину [5];
И М" я
и и
II
0,8 г
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
,7
■ 1
3 2 41
■5
6. 9н8
15
20
25
30
35
к/й
Рис. 3. Зависимость удельной энергии сжатого газа в огнетушителях от отношения геометрических размеров сифонных
трубок
5,0
и 4,5
с о 4,0
& 3,5
1? 3,0
ей 2,5
ц. 2,0
1,5
7 9; 8
6 54
1
3 2
15 20 25 30 35 й/</
Рис. 4. Зависимость длины струи ОПС от отношения геометрических размеров сифонных трубок
влияние высоты среза трубки Ь и расстояния между дном корпуса и низом трубки к1 на величину остатка ОПС проявляется неоднозначно; остаток ОПС у образца огнетушителя № 5, наибольший из всех значений (М1 = 1,8 кг), не может быть объяснен влиянием только параметров Ь и к] (Ь = 19,1 мм; к1 = 15,0 мм). Очевидно, повлияло и давление воздуха в огнетушителе (1,2 МПа — наименьшее гарантированное значение для обследованных образцов). Поэтому дополнительно проведена оценка влияния отношения к/й на важнейшие характеристики анализируемых огнетушителей (рис. 3 и 4).
52
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4
Таблица 2. Физическая сущность безразмерных комплексных показателей
№ п/п Комплексный показатель Физическая сущность комплексного показателя
1 "5 Характеризует потери энергии газа на входе в сифонную трубку в зависимости от величины зазора, массы заряда порошка, динамических сил давления и сил вязкого трения
2 % Характеризует отношение потенциальной энергии газа к затратам энергии по вытеснению и доставке массы заряда порошка в очаг пожара
3 я7 Характеризует потери энергии газа от соотношения высоты и диаметра сифонной трубки (является множителем в известном уравнении Дарси - Вейс-баха для расчета потерь энергии по длине трубопроводов)
Изложенные данные не могут быть однозначно истолкованы для оценки влияния конструкции пневматического тракта на вытеснение ОПС (из-за разно-направленности характеристик). Как показывают теоретические исследования, наилучшим образом ответ может быть дан на основе метода анализа размерностей [6], применение которого для решения нашей задачи позволило получить обобщенные безразмерные комплексные показатели (табл. 2):
(Ъ + ¿1) Рт2.
Лс =
"6 =
М РУ
Рт2;
М2 ¡/ (Рт 4) ' л7 = Ь/й,
где РУ — произведение, характеризующее потенциальную энергию газа, заключенного в огнетушителе, Пам3 (или Дж);
М 2 ¡/ (Рт4) — отношение, характеризующее кинетическую энергию движущейся массы заряда порошка, вытесняемого в очаг пожара, кг2 м/(Па с4) (или Дж);
Рт4 — произведение, характеризующее отношение энергии динамических сил, выраженных импульсом давления (Нс), к энергии сил вязкого трения газа—его кинематической вязкости (м2/с) на входе в сифонную трубку, Н-с/(м2-с-1) (или кг/м);
(Ъ + Ь)/М — отношение, характеризующее влияние величины зазора и массы заряда порошка на потери энергии газа на входе в сифонную трубку, м/кг.
Помимо понимания физической сущности безразмерных комплексных показателей (см. табл. 2), важно знать, какие численные значения входящих в
Таблица 3. Расчетные значения комплексных показателей (для времени с начала истечения т = 0,02 с)
Номер образца Типоразмер огнетушителя "5 РУ, Дж М 21/(Рт4), Дж "6
1 ОП-1 13,44 574,00 13,39 42,86
2 11,76 798,00 35,71 22,34
ОП-2
3 8,60 798,00 35,71 22,34
4 0,80 1840,00 218,75 8,41
ОП-4
5 4,09 1380,00 291,67 4,73
6 5,42 952,00 250,00 3,81
ОП-5
7 11,42 2608,00 240,65 10,84
8 1,30 1969,01 1286,00 1,54
ОП-8
9 1,81 1969,01 1286,00 1,54
М21/(Рт4), Дж
1200 1000 800 600 400 200 0
9; 8 /
/
/
/
/
6 ■ / / 5 ■7 4
1 32^
10
15
20
25
30
35 40 Ь/й
Рис. 5. Изменение кинетической энергии в начале истечения газа из огнетушителей от отношения Ь/й для т = 0,02 с
М], кг
1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
0
5
8
9 7
2ш
6 ■ 1ш
■ 3
4 ■
8
10
12
14
п5
Рис. 6. Зависимость остатка ОПС в корпусе огнетушителя от комплексного показателя я5
них величин следует принимать во внимание, исходя из возможной вариативности и имея в виду, что давление Р и время истечения т имеют противоположные направления изменения. Одно очевидно: в начале и в конце процесса истечения ОПС численные значения показателей будут существенно различаться. Поэтому для сравнительной оценки огнетушителей следует предварительно условиться о выборе соответствующих величин (кроме Ь и й, являющихся постоянными для каждого типоразмера), определяющих эффективность процесса.
!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4
53
14 12 10 8 6 4 2 О
\
?\
■ \ 2 17
3 1 \
6 5
% - У8 1 4
15
20
25
30
35 n-jih/d)
Рис. 7. Зависимость комплексного показателя % от комплексного показателя я7
С этой целью проведено численное моделирование безразмерных комплексных показателей (при указанных ранее предпосылках), которые показали наилучшую сходимость результатов при т = 0,02 (табл. 3, рис. 5-7).
Данные, представленные в табл. 3, можно считать практически приемлемыми, исходя из того что затраты энергии М2 //(Рт4), эквивалентные механической работе А по перемещению массы т ОПС вручную (на расстояние / от огнетушителя до очага пожара), достоверно могут быть определены на основе известной зависимости [7]:
А = mg/,
где g — ускорение свободного падения тел, м2/с;
g = 9,81 м2/с.
При паспортных характеристиках дальности полета струи / = 2^5 м и массе заряда т = 1^8кг механическая работа может составить от 20 до 400 Дж.
Представленные в этой статье данные позволяют сделать очевидные выводы:
• необходимо скорректировать конструкторскую документацию и ужесточить требования по соблюдению ее при производстве, сертификационных испытаниях и эксплуатации огнетушителей в части размеров, влияющих на полноту выхода ОПС при тушении пожаров;
• при проектировании огнетушителей следует учитывать, что комплекс я6, характеризующий соотношение потенциальной и кинетической энергий, изменяется заметным образом (до 4 раз), при этом меньшее его значение указывает на большую долю, затраченную на доставку ОПС к очагу пожара;
• объем выборки исследованных огнетушителей (9 образцов пяти типоразмеров) ограничен по экономическим соображениям, что не позволяет с научной достоверностью представить здесь экспериментальные аналитические зависимости между показателями, описывающими процесс истечения ОПС, поэтому необходимо накопление статистических данных в этом направлении исследования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кожевин Д. Ф. Методика комплексной оценки эффективности огнетушителей (применительно к пожароопасным производственным объектам нефтебаз) : дис. ... канд. техн. наук: 05.26.03; защищена 26.04.11; утв. 08.07.11 / Кожевин Д. Ф. — СПб., 2011. — 120 с.
2. PRIMERA CLUB. Чем мы боремся с огнем? (Или тест автомобильных огнетушителей). URL : http://ww.primera-club.ru/forum/showthread.php?s=72982077b88c417ea9d1f24a8911f80c&t= =18337 (дата обращения 08.02.2012).
3. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон от 22.07.2008 г. № 123-03; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. — М. : ФГУ ВНИИПО, 2008. — 157 с. // Российская газета. — 2008. — № 163; Собр. законодательства РФ.
— 2008.—№30.
4. Национальная справочно-информационная служба в области пожарной безопасности. — 2011.
— №2(45).
5. ГОСТ Р 51057-2001. Техника пожарная. Огнетушители переносные. Общие технические требования. Методы испытаний. — Введ. 01.07.2002 г. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 2002.
6. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. — М. : Наука, 1967.
7. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М. : Наука, 1968.
Материал поступил в редакцию 27 февраля 2012 г. Электронные адреса авторов: maxim0205@mail.ru; Yagmort-KDF@mail.ru; poljakov_as@mail.ru.
54
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4
