CC BY
7ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ
УДК 614.845
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩЕГО НАСАДКА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФРАКЦИЙ В ГАЗОПОРОШКОВОМ ПОТОКЕ
А.С. Поляков, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации; Д.Ф. Кожевин, кандидат технических наук, доцент; А.С. Константинова.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Определено влияние формы поперечного сечения насадка на распределение фракций различного размера в моделируемом газопорошковом потоке. С помощью критерия Фишера показана статистическая значимость полученных результатов.
Ключевые слова: порошковый огнетушитель, распределение фракций, насадок, огнетушащий порошок
EVALUATION OF THE REGULATING NOZZLE CROSS-SECTION FORM INFLUENCE ON THE FRACTIONS DISTRIBUTION IN THE GAS-POWDER STREAM
A.S. Polyakov; D.F. Kozhevin; A.S. Konstantinova.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The influence of the nozzle cross-sectional shape on the distribution of fractions of various sizes in the simulated gas-powder flow is determined. Using the Fisher test shows the statistical significance of the results.
Keywords: powder fire extinguisher, fraction distribution, nozzles, fire extinguishing powder
Известно, что огнетушащая способность порошка определяется удельной поверхностью, то есть зависит от его фракционного состава. В работе [1] проанализированы отечественные и зарубежные труды по изучению влияния фракционного состава порошка на огнетушащую эффективность [2-6]. Экспериментальных данных по изучению распределения частиц различных фракций в поперечном сечении газопорошкового потока среди опубликованных работ авторами не выявлено.
В работах [7, 8] изучены закономерности распределения частиц огнетушащего порошка в поперечных сечениях нерегулируемого нестационарного газового потока. В этих работах эксперимент проведен без изменения формы выходного отверстия модели огнетушителя.
Цель настоящей работы - определение влияния формы поперечного сечения насадка на распределение фракций в газопорошковом потоке.
В эксперименте в качестве огнетушащего порошка использовали соль пищевую, предварительно разделенную методом ситового рассеивания на фракции: крупную (размер частиц 450...629 мкм); среднюю (200...449 мкм) и мелкую (40...199 мкм). Для визуального распознавания частицы окрашивали в цвета: крупную фракцию - в красный цвет, среднюю -в жёлтый, мелкую - в синий.
Порошок соли подавали с помощью модели огнетушителя к картонным мишеням размером 300x300 мм, покрытым лаком для улавливания частиц. Использовали насадки круглого (ё=11 мм) и щелевого (размер 16x5 мм) сечения горизонтально и вертикально ориентированные. Площадь поперечного сечения щелевого насадка составила на 20 % меньше круглого. Мишени устанавливали последовательно на расстояниях 500 мм (сечение А), 750 мм (сечение Б), 1 000 мм (сечение В) и 1 250 мм (сечение Г), считая от среза модели огнетушителя.
Общая масса навески порошка составляла 10,00±0,02 г, содержание каждой фракции - по 3,33 ±0,01 г. Давление истечения струи газопорошкового потока составляло 0,5 МПа. На каждой мишени (после высыхания лака) визуально (по ориентировочной большей концентрации частиц) определяли осевую точку потока и разбивали поверхность мишени на 25 полей. Местоположение центрального поля определено в радиусе 20 мм от осевой точки. Остальные 24 поля распределены в зависимости от удаления и взаимного расположения с ней (рис. 1).
Рис. 1. Схема разбиения мишени на поля: 3 кольца характеризуют удаление поля от осевой точки, 8 румбов - взаимное расположение относительно неё
В каждом поле подсчитывали (с помощью увеличительного стекла кратностью х5) концентрацию фракций на выборочной площади. Выборочная площадь составляла 2 см2 для полей первого кольца (что составляет 24 % полной площади каждого поля) и центрального поля (16 % полной площади поля), 3 см2 - для полей второго кольца (10 % полной площади каждого поля), 4 см2 - для полей третьего кольца (8 % полной площади каждого поля).
Предварительно была проверена репрезентативность такого объема выборочной площади. Концентрацию для крупной и средней фракций подсчитывали в количестве частиц на единицу площади мишени, для мелкой фракции - в относительной площади сплошного покрытия поверхности мишени. Такой способ подсчета мелкой фракции обусловлен нецелесообразностью выделения отдельных частиц из-за их многослойного наложения друг на друга.
По результатам подсчета частиц (на основе сетки полей) строили области концентраций фракций. Для этого обводили плавной линией поля, в которых значение содержания частиц на единицу выборочной площади находится в заданном интервале (например, для средней фракции выбраны значения 220 ед./см2, 100...220 ед./см2 и 50...100 ед./см2). Пример построения областей концентраций показан на рис. 2.
Рис. 2. Построение областей различной концентрации частиц средней фракции
На рис. 2 цифрами обозначена концентрация частиц в поле (ед./см2); красной линией обозначены границы области с концентрацией частиц более 220 ед./см2, синей линией -с концентрацией частиц 100.220 ед./см2, голубой линией - с концентрацией 50...100 ед./см2.
На рис. 3-5 представлены области распределения концентраций различных фракций соли на поверхности мишеней. В неокрашенных областях концентрация частиц не достигает нижнего указанного в легенде рисунка предела.
Сечение А
&
о
-е-«
0
Е
1
и о и
и ¡в
к а
и и
& о
и &
И я н и
И я й >8 а 3
Н И И и
О й §
& &
£ В
и
и
Сечение Б
Сечение В
Сечение Г
Концентрация частиц в областях: I I - 50 частиц/см2 и более - 35.50 частиц/см2 - 15.35 частиц/см2
Рис. 3. Области концентраций частиц фракции 450...629 мкм
Сечение А Сечение Б Сечение В Сечение Г
| | - 220 частиц/см2 и более
Концентрация частиц в областях: □ - 100.219 частиц/см2
| | - 50.99 частиц/см2
Рис. 4. Области распределения концентраций фракции 200...449 мкм
Сечение А
Сечение Б
Сечение В
Сечение Г
Концентрация частиц в областях (по величине относительной площади покрытия
поверхности мишени):
□ - 75 % и более □ - 50.74 % □ - 25.49 %
Рис. 5. Области распределения концентраций фракции 40.199 мкм
Визуально различимо влияние формы потока на распределения концентраций при применении щелевых (горизонтально и вертикально ориентированных) насадков на расстоянии 750-1 000 мм от модели огнетушителя. Это подтверждает результаты, полученные в работе [7], в части, касающейся стабильности потока. С увеличением расстояния до 1 250 мм различия формы потока пропадают.
Поля с высокой концентрацией частиц крупной фракции (50 частиц и более на см2) сохраняются на всех исследуемых расстояниях. Площадь полей с высокой концентрацией частиц средней и мелкой фракции уменьшается по мере удаления сечения от огнетушителя.
Концентрация частиц мелкой фракции, обладающей наиболее высоким огнетушащим эффектом, на расстоянии более 1 000 мм незначительна.
Общая площадь полей концентраций частиц увеличивается при удалении мишени от среза огнетушителя во всех случаях. При этом можно наблюдать большее рассеяние частиц средней фракции по сравнению с крупной. Эту закономерность не удалось проследить в сечении Г для частиц мелкой фракции, так как они в силу малой массы почти не долетают до этой мишени.
Наиболее вероятной причиной перечисленных закономерностей является отклонение траектории движения частицы от прямолинейной в сторону земли из-за увеличения гравитационной составляющей действующих на нее сил. Масса крупных частиц достаточна, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и долететь до мишени сечения Г, масса остальных частиц не позволяет им в большом количестве долетать до мишеней, расположенных на удалении более 1 000 мм.
Проведена оценка статистической значимости распределения концентраций фракций в полях по критерию Фишера (таблица), где Бр - расчетное значение отношения дисперсий выборок, Бкр - критическое значение критерия Фишера.
Таблица. Оценка статистической значимости распределения концентраций фракций в полях
по критерию Фишера
Сечение А, поле 880, кольцо 1
Форма сечения насадка Номер выборки Среднее арифм. значение концентрации частиц, ед./см2 Дисперсия среднего арифм. значения концентрации частиц, 842
Количество частиц на выборочной площади, ед./см2
1 2 3 4
Круглая 68 59 54 56 59,3 2145,0
Щель вертикальная 59 51 62 49 55,3 3784,3
Щель горизонтальная 79 95 69 69 78,0 187,4
Расчет отношения дисперсий
Форма сечения насадка Щель вертикальная Щель горизонтальная
Круглая S2 Fр = -Б6 = 1,76 р с2 ' ^м Отклонение незначимое S2 Fр = —Б6 = 11,45 р с 2 ' ^м Отклонение значимое
Щель вертикальная - Fр = —В6 = 20,19 р с 2 ' ^м Отклонение значимое
Ркр = 9,12, при Екр > Рр - отклонение незначимое; при Ркр < Рр отклонение значимое. Заглавной буквой в индексах дисперсии обозначен тип насадка, прописной - большее и меньшее значения дисперсий
Аналогично проведены расчёты для каждого из 25 полей каждой мишени. Результаты оценки статистической значимости результатов для сечения А в графическом виде представлены на рис. 6. Числа в каждом поле показывают отношение дисперсий; поля, в которых отношение превышает критическое значение Бкр=9,12 - заштрихованы.
Рис. 6. Статистическая значимость результатов, оцененная по критерию Фишера,
для крупной фракции в сечении А
На рис. 6 буквами обозначены дисперсии результатов при подаче порошка: Sg — через насадок круглого сечения, Sg - через вертикально ориентированный щелевой насадок, S2 - через горизонтально ориентированный щелевой насадок.
Оценка статистической значимости результатов показывает, что наибольшее влияние форма насадка оказывает для крупной фракции. Для средней фракции влияние насадка прослеживается в основном в центральной области - центральное поле, кольца 1 и 2. Для мелкой фракции влияние насадка уменьшается с увеличением расстояния от огнетушителя, так как незначительная концентрация частиц на дистанции 1 000 мм и более не позволяет проследить различия формы поперечного сечения потока при подаче через различные насадки.
Следует отметить, что в нормативных документах отсутствуют требования к насадкам на порошковые огнетушители. При этом результаты настоящей работы показывают возможность регулировки формы газопорошкового потока и распределения в нем различных фракций порошка с помощью применения насадка, что может сказаться на эффекте тушения порошковым огнетушителем.
Таким образом, установлено, что щелевой насадок (вертикальной и горизонтальной ориентаций), увеличивая площадь поперечного сечения потока, одновременно на 20 % сокращает дальность доставки средней и мелкой фракции, что видно по областям концентраций на мишенях сечений В и Г (рис. 4, 5). При этом с увеличением расстояния от огнетушителя до мишени влияние формы насадка снижается (рис. 3-5).
Статистическая значимость результатов, оцененная по критерию Фишера, обусловливает необходимость проведения эксперимента по определению влияния насадков на эффект тушения пожара с целью установления целесообразности их использования.
Литература
1. Константинова А.С., Кожевин Д.Ф., Поляков А.С. Отечественный и зарубежный опыт оценки свойств огнетушащих порошков // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2019. № 4 (32). С. 34-39.
2. Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: дис. ... канд. техн. наук. М., 2008.
3. Huang D., Wang X., Yang J. Influence of Particle Size and Heating Rate on Decomposition of BC Dry Chemical Fire Extinguishing Powders // Particulate Science and Technology. 2015. Vol. 33. Issue 5. Р. 488-493.
4. Yan Y., Han Z., Zhao L., Du Z., Cong X. Study on the relationship between the particle size distribution and the effectiveness of the K powder fire extinguishing agent // Fire and Materials. 2018. Vol. 42. Issue 3. P. 336-344.
5. Lee E., Choi Y. Effects of Particle Size of Dry Water on Fire Extinguishing Performance // Journal of the Korean Society of Safety. 2019. Vol. 34. Issue 3. P. 28-35.
6. Liu H., Zong R., Lo S., Hu Y., Zhi Y. Fire Extinguishing Efficiency of Magnesium Hydroxide Powders under Different Particle Size // Procedia Engineering. 2018. Vol. 211. P.447-455.
7. Поляков А.С., Кожевин Д.Ф., Константинова А.С. Распределение фракций огнетушащего порошка в моделируемом нестационарном газовом потоке // Пожаровзрывобезопасность. 2019. Т. 28. № 6. С. 80-88.
8. Константинова А.С., Кожевин Д.Ф., Поляков А.С. Распределение массы частиц огнетушащего порошка в условиях нестационарного газового потока // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы. Современные методы и технологии предупреждения и профилактики возникновения чрезвычайных ситуаций: материалы XI Всерос. науч.-практ. конф. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2019. С. 369-373.
References
1. Konstantinova A.S., Kozhevin D.F., Polyakov A.S. Otechestvennyj i zarubezhnyj opyt ocenki svojstv ognetushashchih poroshkov // Prirodnye i tekhnogennye riski (fiziko-matematicheskie i prikladnye aspekty). 2019. № 4 (32). S. 34-39.
2. Sabinin O.Yu. Optimal'nye harakteristiki ognetushashchih poroshkov i parametry ih podachi dlya impul'snyh modulej poroshkovogo pozharotusheniya: dis. ... kand. tekhn. nauk. M., 2008.
3. Huang D., Wang X., Yang J. Influence of Particle Size and Heating Rate on Decomposition of BC Dry Chemical Fire Extinguishing Powders // Particulate Science and Technology. 2015. Vol. 33. Issue 5. R. 488-493.
4. Yan Y., Han Z., Zhao L., Du Z., Cong X. Study on the relationship between the particle size distribution and the effectiveness of the K-powder fire extinguishing agent // Fire and Materials. 2018. Vol. 42. Issue 3. P. 336-344.
5. Lee E., Choi Y. Effects of Particle Size of Dry Water on Fire Extinguishing Performance // Journal of the Korean Society of Safety. 2019. Vol. 34. Issue 3. P. 28-35.
6. Liu H., Zong R., Lo S., Hu Y., Zhi Y. Fire Extinguishing Efficiency of Magnesium Hydroxide Powders under Different Particle Size // Procedia Engineering. 2018. Vol. 211. P.447-455.
7. Polyakov A.S., Kozhevin D.F., Konstantinova A.S. Raspredelenie frakcij ognetushashchego poroshka v modeliruemom nestacionarnom gazovom potoke // Pozharovzryvobezopasnost'. 2019. T. 28. № 6. S. 80-88.
8. Konstantinova A.S., Kozhevin D.F., Polyakov A.S. Raspredelenie massy chastic ognetushashchego poroshka v usloviyah nestacionarnogo gazovogo potoka // Servis bezopasnosti v Rossii: opyt, problemy, perspektivy. Sovremennye metody i tekhnologii preduprezhdeniya i profilaktiki vozniknoveniya chrezvychajnyh situacij: materialy XI Vseros. nauch.-prakt. konf. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2019. S. 369-373.
