Полезная модель порошкового огнетушителя с пористым сосудом для огнетушащего состава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Д. Ф. КОЖЕВИН, канд. техн. наук, преподаватель кафедры физико-химических основ процессов горения и тушения Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС РФ, г. Санкт-Петербург, Россия

М. Р. СЫТДЫКОВ, старший преподаватель кафедры пожарной безопасности технологических процессов и производств Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС РФ, г. Санкт-Петербург, Россия

А. С. ПОЛЯКОВ, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры физики и теплотехники Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС РФ, г. Санкт-Петербург, Россия

УДК 614.845:622.69

ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ ПОРОШКОВОГО ОГНЕТУШИТЕЛЯ С ПОРИСТЫМ СОСУДОМ ДЛЯ ОГНЕТУШАЩЕГО СОСТАВА

Неполный выход огнетушащего вещества из порошковых огнетушителей вследствие недостатков их конструкции снижает эффективность огнетушителей в несколько раз. Основной причиной этого является склонность порошка к слеживаемости и образование воронки на входе в сифонную трубку при движении вытесняющего газа. Приведены результаты анализа эффективности порошковых огнетушителей с сифонной трубкой и предлагаемой модели огнетушителя с пористой емкостью. В основу исследования положены экспериментальные и математические методы оценки эффективности огнетушителей.

Ключевые слова: огнетушитель; технические параметры; пористая емкость; функционально-стоимостной анализ; эксперимент.

Недостатком большинства конструкций порошковых огнетушителей считается неполнота выхода огнетушащего порошкового состава (ОПС) ввиду слеживаемости его в процессе хранения и образования воронки на входе в сифонную трубку при движении вытесняющего газа [1].

В связи с этим нами по статистическим данным [2] выполнен анализ связей между геометрическими размерами корпусов огнетушителей (вместимостью от 1 до 10 л), параметрами вытесняющего газа (давлением, объемом и энергией), массой ОПС и продолжительностью его истечения. Для всех типоразмеров огнетушителей получены аналогичные результаты. Применительно к огнетушителям типо-

размера ОП-2 они представлены на рис. 1-5 (цифры соответствуют конкретным образцам огнетушителей из их рассмотренной совокупности (21 образец)).

На рис. 5 процесс истечения аппроксимирован прямой линией (вместо экспоненты), поскольку достоверны только начальные и конечные значения энергии и продолжительности истечения (промежуточные значения в литературе не найдены).

Из полученных результатов следует: • параметры вытесняющего газа (давление, объем и энергия) и масса ОПС не имеют жесткой связи с геометрическими размерами корпусов огнетушителей; в большинстве своем их можно считать автомодельными (см. рис. 1-4);

1,8

й о" 1,4

за

и

Рч о

1,2 ^ 1,0

2 4 5 10 12 17

1 3 6 8 9 ' 13 11 " 18 20

19

7 14; 15; 16 21

« 0,8 0,6

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Отношение высоты к диаметру огнетушителя

Рис. 1. Зависимость рабочего давления в огнетушителях от отношения их геометрических размеров

5,5

"Ъ 5,0 4'5

& й

Я и 40

3§ £ I

о й

3,5

9 20

1 3 4

8 15; 18; 19

2 ■ 5 10 "13

—■- 7 14; 17 ■ -21 ■12

16

2,5

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

Отношение высоты к диаметру огнетушителя

Рис. 2. Зависимость объема корпуса огнетушителей от отношения их геометрических размеров

© Кожевин Д. Ф., Сытдыков М. Р., Поляков А. С., 2012

2,1

Й 2,0 и

В

св

I 1,8 £

£ 1,7 и и св

3 1,6

12 3 5-7 910 1113 20; 21

16-19

• 8 4 12 14;15

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

Отношение высоты к диаметру огнетушителя

Рис. 3. Зависимость массы заряда ОПС огнетушителей от отношения их геометрических размеров

60,6 50,6

1 40,6

В

В 30,6

сЗ в

| 20,6 &

О 10,6

5 3 14 1

4 9 ■ 21

13 19 11 6 12 ■ 10 2 8

■ 7

17 16 20

15; 18

0,6

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Отношение высоты к диаметру огнетушителя

Рис. 4. Зависимость энергии сжатого газа в огнетушителях

от отношения их геометрических размеров

• отношение высоты корпуса к к его диаметру й составляет от 2 до 4, в результате чего путь движения массы ОПС до сифонной трубки и по ней связан со значительными энергетическими затратами (см. рис. 5);

• продолжительность истечения массы ОПС в некоторых случаях (см. рис. 5) одинакова при различных значениях давления, что свидетельствует о несовершенстве пневматического тракта огнетушителя на пути движения ОПС. По резуль-

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5

I 1,0

0,5

Ч ч>

\\Ч 5 /

•• \ "\ \\У \\ 13 / , 11 /

/ 19 ^ 9 1,3, / 6, 18, 20

чч V \ \ V кч ч 2, 10,17

7, 16, 2/^ XV \\\ / /Ч

X \

0 123456789 Продолжительность истечения ОПС, с

Рис. 5. Изменение энергии сжатого газа в огнетушителях с одинаковой массой заряда ОПС (2 кг) по продолжительности его истечения

татам анализа принято решение о целесообразности исключения сифонной трубки из конструкции огнетушителя [3, 4]. Принципиальное различие между существующим типовым и новым конструктивными решениями видно из рис. 6.

Порошковый огнетушитель новой конструкции может содержать в корпусе один и более сосудов для ОПС 5, стенки которых имеют пористую структуру, а верхние части сосуда выполнены из сплошного материала. Запорно-регулирующая арматура 6 и 7 размещена в клапанной коробке 9, которая соединена шлангом 10 с запорным вентилем 8.

Заполнение сосуда порошком 2 производится непосредственно в корпусе 1 или перед установкой его в корпус. Вытеснение ОПС из сосуда 5 осуществляется традиционно — сбросом давления в корпусе 1 путем открытия вентиля 8. Расположенные в клапанной коробке 9 клапаны 6 и 7 обеспечивают выход ОПС из корпуса огнетушителя через шланг 10.

Перераспределение функций между элементами конструкций типового огнетушителя и предлага-

Таблица 1. Сравнение функций конструктивных элементов порошковых огнетушителей

Функции, выполняемые элементами конструкции огнетушителя Конструктивные элементы огнетушителя

существующего предлагаемого

Корпус Сифонная трубка Запорно-пусковое устройство Корпус Пористый сосуд Запорно-пусковая арматура

Содержание ОПС + - - - + -

Аккумуляция энергии газа + - + + + +

Организация движения ОПС из огнетушителя + + + - + +

Примечание. Плюсом отмечено наличие функции, минусом — отсутствие.

Рис. 6. Конструкции огнетушителей: а — существующая (с сифонной трубкой), б — новая (без сифонной трубки): 1 — корпус огнетушителя; 2 — огнетушащий порошковый состав; 3 — сифонная трубка; 4 — запорно-пусковое устройство; 5 — сосуд из пористого материала для хранения ОПС; 6-8 — запорно-пусковая арматура; 9 — клапанная коробка; 10 — шланг

емого с пористым сосудом отражено в табл. 1, разработанной с учетом принципов функционально-стоимостного анализа качества продукции [5].

Из табл. 1 видно, что в новой конструкции огнетушителя основные функции принадлежат пористому сосуду.

Эффект такого решения оценен по результатам испытаний экспериментальной полезной модели, соотношение геометрических размеров которой составляло 1:70 к серийному огнетушителю (табл. 2).

В эксперименте использовались порошки с насыпной плотностью (кг/м3): 827 (модельный), 1269 (серийный ПСБ) и 1609 (модельный). Исследование проводилось на металлической сетке (нержавеющая сталь с квадратной ячейкой размером 0,03 мм). Масса навески определялась на лабораторных весах с погрешностью 0,1 ■ 10-6 кг.

Эксперименты проводили в два этапа. На первом этапе оценивали влияние давления вытесняющего газа, а на втором — влияние насыпной плотности порошков на величину их остатка в корпусе.

Результаты первого этапа показали, что давление вытесняющего газа должно быть не менее 0,5 МПа,

в противном случае остаток порошка достигнет 4-12 % от первоначальной массы. Необходимость повышения давления более 0,5 МПа не выявлена. Очевидно, снижению давления способствует отсутствие сифонной трубки. Затраты давления в полезной модели идут только на выброс огнетушащего вещества из сосуда, что позволяет уменьшить материалоемкость конструкции. Кроме того, в новой модели отсутствует причина увеличения остатка порошка, обусловленная образованием воронки на входе в сифонную трубку, поскольку последняя исключена из конструкции.

В связи с этим оценку влияния насыпной плотности порошков на величину их остатка проводили далее при давлении газа 0,5 МПа (табл. 3).

Таблица 2. Характеристики серийного образца огнетушителя ОП-1 и предлагаемой модели

Характеристика ОП-1 (з) АВСЕ Предлагаемая модель Соотношение параметров сравниваемых образцов

Вместимость корпуса, л 1,2 + 0,06 0,01 120

Рабочее давление в корпусе, МПа 1,4 0,5 3

Масса порошка, кг 1 + 0,06 0,015 70

Плотность порошкового состава, кг/м3 1000 800-1600 0,8-1,6

Объем воздуха в корпусе, л (при начальном давлении) 2,8 0,04 70

Таблица 3. Влияние насыпной плотности порошков на величину их остатка в корпусе

Насыпная плотность Масса заряда порошка, Остаток порошка в корпусе Дисперсия

порошка, кг/м3 10 3 кг 10 3 кг %

18,95 0,23 1,21

1609 (модельный) 18,41 0,08 0,43

18,76 0,32 1,71 0,05

18,77 0,19 1,01

18,99 0,79 4,16

20,71 0,12 0,56

1269 (ПСБ) 23,46 0,04 0,17

21,73 0,16 0,74 1,45

23,56 0,10 0,40

22,62 0,40 1,75

10,92 0,03 0,56

827 (модельный) 9,34 0,01 0,17

10,48 9,81 0,03 0,02 0,74 0,4 0,43

9,59 0,08 1,75

Выбранные значения плотности (827, 1269 и 1609 кг/м3) обеспечивали возможность оценки эффекта полезной модели огнетушителя не только на серийном образце порошка (ПСБ, 1269 кг/м3), но и при иных (потенциально возможных) значениях (827 и 1609 кг/м3), находящихся по обе стороны от значения 1269 кг/м3.

Из данных табл. 3 видно, что модельный порошок с плотностью 1609 кг/м3 имел остаток 0,43-1,21 %, что в 2-2,5 раза больше, чем у модельного порошка с плотностью 827 кг/м3 и серийного (ПСБ) с плотностью 1269 кг/м3. Это может быть объяснено разными энергетическими затратами, необходимыми для вытеснения порошка.

Оценка влияния плотности порошков на полноту выхода ОПС проведена по критерию Фишера Б [6]. Результаты оценки представлены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что отклонение насыпной плотности модельного образца (827 кг/м3) от серийного (1269 кг/м3) является незначимым при давлении газа 0,5 МПа. Исходя из этого следует считать, что требования нормативных документов [7] по диапазону насыпной плотности 1000-1300 кг/м3 являются аргументированными. Все существующие ОПС имеют насыпную плотность не менее 1000 кг/м3.

Таблица 4. Оценка значимости отклонений насыпной плотности на эффект вытеснения порошка

Насыпная плотность порошка, кг/м3 1269, серийный ПСБ (S 2 = 1,46) 1609, модельный (5 2 = 0,05)

827, модельный (5 32 = 0,43) S 2 Fp - SI = 3,3"; S 3 FT = 5,41 (отклонение незначимое) 5 2 Fр - ^ - 8,6°; р -1 Fт = 5,41 (отклонение значимое)

1269, серийный ПСБ (52 - 1,46) - 52 Fр - -2 - 29,20; р -2 Fт = 5,41 (отклонение значимое)

Примечание. 51, —2, —3 — дисперсии насыпной плотности порошков; Fp, Fт — расчетные и табличные значения критерия Фишера.

Таким образом, представленные результаты испытаний подтверждают ранее выдвинутую гипотезу, что остаток ОПС в порошковых огнетушителях можно существенно уменьшить за счет содержания его в пористом сосуде [3, 4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Поликовский В. И., Перельман Р. Г. Воронкообразование в жидкости с открытой поверхностью.

— М.-Л. : Госэнергоиздат, 1959. — 191 с.

2. Национальная справочно-информационная служба в области пожарной безопасности. — 2011.

— № 1 (44).

3. Пат. 106543 Российская Федерация, МПК А 62 С 13/00. Порошковый огнетушитель / Поляков А. С., Кожевин Д. Ф.; заявитель и правообладатель Поляков А. С., Кожевин Д. Ф. —№ 2010145418/12 ; заявл. 28.10.2010 ; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20. — 5 с.

4. 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 Дмитрий Федорович. — СПб., 2011. — 120 с.

5. Гордашникова О. Ю. Функционально-стоимостной анализ качества продукции и управления маркетингом на предприятии. — М. : Изд-во "Альфа-Пресс", 2006. — 88 с.

6. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. — М. : Наука, 1971. — 576 с.

7. ГОСТ 26952-86*. Порошки огнетушащие. Общие технические требования и методы испытаний. — Введ. 01.07.88. —М. : Изд-во стандартов, 1987.

Материал поступил в редакцию 13 декабря 2011 г. Электронные адреса авторов: Yagmort-KDF@mail.ru;

maxim0205@mail.ru; poljakov_as@mail.ru.