CC BY
63
ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭФФЕКТИВНЫХ НЕЛЕТУЧИХ ПЛАМЕГАСИТЕЛЕЙ ДЛЯ ТУШЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЖАРОВ
Олег Павлович Коробейничев
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул
Институтская, 3, главный научный сотрудник, тел. (383) 333-28-52, e-mail:
Андрей Геннадьевич Шмаков
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул
Институтская, 3, заведующий лабораторией, тел. (383) 333-33-46, e-mail:
Анатолий Альбертович Чернов
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул.
Институтская, 3, научный сотрудник, тел. (383) 333-33-46, e-mail: [email protected]
Владимир Маркович Шварцберг
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул
Институтская, 3, старший научный сотрудник, тел. (383) 333-33-46, e-mail:
Константин Петрович Куценогий
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул
Институтская, 3, главный научный сотрудник, тел. (383) 333-37-53, e-mail:
Валерий Иванович Макаров
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул
Институтская, 3, заведующий лабораторией, тел. (383) 333-07-87, e-mail:
На основе лабораторных и укрупненных экспериментов по гашению двух типов модельных очагов пламени с помощью аэрозольного генератора и химически активных ингибиторов была разработана новая эффективная технология тушения с помощью субмикронного аэрозоля водных растворов красной и желтой кровяной соли. Проведены полевые испытания гашения крупномасштабных модельных очагов пламени, включая пожар деревянного строения и резервуара с нефтепродуктами.
Ключевые слова: лесные пожары, пламегаситель, аэрозольный генератор.
APPLICATION OF AEROSOL TECHNOLIGY AND NON-VOLATILE EFFECTIVE FIRE SUPPRESSANTS FOR FIRE-FIGHTING OF VARIOUS TYPES OF FIRES
Oleg P. Korobeinichev
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, Principal scientist researcher, tel. (383) 333-28-52, email: [email protected]
Andrey G. Shmakov
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, Head of laboratory, tel. (383) 333-33-46, e-mail: [email protected]
Anatoly A. Chernov
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, Scientist, tel. (383) 333-33-46, e-mail:
Vladimir M. Shvartsberg
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, Senior scientist, tel. (383) 333-33-46, e-mail: [email protected]
Konstantin P. Koutsenogii
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, Principal scientist researcher, (383) 333-37-53, e-mail: [email protected]
Valery I. Makarov
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, Head of laboratory, tel. (383) 333-07-87, e-mail: [email protected]
Based on laboratory and scaled-up tests on suppressing of 2 types of model fire using mobile aerosol generator and chemically active inhibitors, a novel effective technology for fire extinguishing by submicron aerosol of aqueous solutions of potassium ferricyanide and potassium ferrocyanide was developed. The field tests on suppression of full-scale model fires including a wood structure and burning oil product, were performed.
Key words: forest fires, fire extinguisher, aerosol generator.
Задача эффективного гашения пожаров при авариях и катастрофах является чрезвычайно важной в области пожаробезопасности. В настоящее время известны различные методы тушения пожаров с помощью распыления воды [1-15]. Основным действующим фактором при таком способе тушения является понижение температуры в зоне горения при испарении диспергированной воды. Известно, что эффективность использования водогазового облака зависит от типа пожара и от дисперсности водяных капель. В описанных методах спектр размеров капель воды достаточно постоянен и широк, основное количество воды находится в каплях крупнее 100 мкм. Поэтому к недостатку этого метода следует отнести большой расход воды на единицу объема пламени.
Повышение эффективности тушения с помощью воды может быть достигнуто как за счет улучшения диспергирования воды, так и за счет введения в нее различных добавок [16]. В последнее время были проведены ряд исследований, целью которых являлось определение эффективности гашения аэрозолями водных растворов [17-28]. В качестве добавок были исследованы
такие соединения как №С1, KQ, LiI, CH3COOK, CoQ2, NiQ2, NaOH, NaHCO3, MgQ2, CaQ2, MnQ2, FeQ2 и другие. Установлено, что некоторые из соединений являются более эффективными ингибиторами горения, чем такие фреоны как CF3Br. Поэтому они рассматриваются как перспективные добавки к воде для увеличения эффективности при гашении пламени. Как показали результаты лабораторных экспериментов, наиболее эффективными (в расчете на массу) пламегасителями являются комплексные соединения калия и железа [29]. Однако, эффективность пламегасителей, определенная в лабораторных экспериментах, не всегда соответствует эффективности при тушении крупномасштабных очагов пожаров.
В работе [30] приведены результаты проверки лабораторных экспериментов крупномасштабными натурными испытаниями по тушению двух типов модельных очагов пожаров с помощью субмикронного аэрозоля водного раствора красной кровяной соли К3[Ре(СЫ)6]. Проведенные эксперименты показали, что кратковременное воздействие аэрозольного облака содержащего частицы раствора К3[Ре(СЫ)6] на фронт пламени низового лесного пожара приводит к подавлению газофазного горения. Также установлено, что воздействие аэрозольного облака этого пламегасителя на модельный очаг пожара класса 0.5А (горящая древесина) приводит к его полному гашению. Минимальная гасящая массовая концентрация 4.5 г/м К3^е(СЫ)6] в этих сериях опытов близка к измеренной ранее в лабораторных экспериментах. Установлено, что при тушении пожара с помощью аэрозоля водного раствора К3[Ре(СЫ)6] объемный расход такого пламегасителя в 30 раз меньше нормативного расхода чистой воды при тушении из брандспойта.
Полученные в работе [30] результаты показали, что с помощью предложенных пламегасителей можно эффективно подавлять как пламенное, так и тлеющее горение.
Поэтому только проведение натурных испытаний по гашению пламен различного типа позволяет сделать корректные (достоверные) выводы о перспективности новых пламегасителей и предлагаемого в данной работе способа их доставки к очагу пожара в виде мелкодисперсного аэрозоля.
Полевые испытания по тушению различных видов пламени с помощью мобильного генератора аэрозолей регулируемой дисперсности (ГРД) проводились для трех вариантов очагов пожара: а) модельный очаг низового лесного пожара; б) модельный очаг пожара деревянного строения; (модельный очаг розлива нефтепродуктов. Для каждого из вариантов было проведено по две серии экспериментов: 1) с использованием воды без добавок; 2) с
использованием водного раствора ингибитора.
Для полевых испытаний использовался аэрозольный генератор [30], смонтированный на шасси автомобиля. Аэрозольный генератор включает в себя источник сжатого воздуха, емкости для топлива газотурбинного двигателя и водных растворов ингибиторов, систему подачи топлива и рабочих жидкостей. Аэрозольный генератор снабжен термомеханическим и пневматическим технологическим контуром, позволяющим регулировать дисперсность аэрозоля в широком диапазоне. Контур включает источник сжатого воздуха, форсунки со
сменными соплами для воздуха и жидкости, систему измерения и регулирования расхода диспергируемых жидкостей. С целью облегчения конструкции в качестве единого источника сжатого воздуха использована вспомогательная силовая авиационная установка ТА-6А.
Параметры генератора при использовании пневматического контура следующие: рабочее тело - воздух в смеси с водой или раствором, скорость струи у сопла - 330 м/с, скорость струи на расстоянии 6 метров от сопла - до 20 м/с, диаметр струи на расстоянии 6 метров от сопла - около 1.2 м, объемный расход воздуха - 0.8 кг/сек, максимальный расход раствора или воды - 20 л/мин, медианномассовый диаметр частиц аэрозоля - 20 мкм. [31].
Модельный очаг низового лесного пожара представлял собой горизонтальный травянистый участок размером 4х8 м. Масса горючих материалов (сухая трава, мелкие ветки диаметром 1-4 см) составляла 18-20 кг/м2, их влажность соответствовала естественным условиям. Скорость ветра составляла не более 2 м/с, температура воздуха +5 0С.
Модельный очаг пожара деревянного строения представлял собой прямоугольный каркас размером 2х2х2,5 метра, обшитый досками из древесины хвойных пород. В одной из стен строения имелся дверной проем. Для зажигания строения его обкладывали с наветренной стороны сухими ветками и листьями и поджигали их с помощью небольшого количества бензина.
Модельный очаг розлива нефтепродуктов (очаг пожара класса 21 В) представляет собой круглый противень, изготовленный из листовой стали. Диаметр противня составлял 92 см, высота - 23 см. В противень заливали 42 литра воды и 21 литр бензина А-76.
Ранее методом чашечной горелки в качестве пламегасителей были изучены некоторые неорганические и органические соли калия (К3Р04, КООСН3, КООССООК и К4[Ре(С№)6]) [29]. Результаты экспериментов по гашению диффузионного пламени н-гептан/воздух с помощью водных растворов этих солей показали, что наиболее эффективным пламегасителем является К4[Ре(С^)6] (желтая кровяная соль) и К3^е(С^6] (красная кровяная соль). Минимальная массовая гасящая концентрация К4^е(С^6] составляет 6.6 г/м [29]. Используемые соли имеют схожие химические свойства, а также содержат относительно большое (3-4 атома) количество калия в их молекулах и поэтому обладают близкой эффективностью как пламегасители.
Используя определенные в работе [29] величины минимальных гасящих концентраций аэрозолей растворов комплексных соединений калия были подготовлены и проведены укрупненные испытания по тушению двух типов модельных очагов пожаров, подтвердивших эффективность субмикронного аэрозоля водного раствора красной кровяной соли К3[Ре(С^6] [30].
В данной работе для испытаний по гашению двух типов модельных очагов пожаров в полевых условиях был выбран К3^е(С^)6], так как он имеет большую растворимость в воде, чем К4[Ре(С^)6].
(а) На пламя очага модельного лесного пожара воздействовали аэрозольным облаком, создаваемым ГРД (Рис 1 и Рис 2). Расход жидкости
составлял 0.330 л/сек, продолжительность подачи аэрозоля в очаг пожара около 5 мин. Массовая концентрация К3[Ре(СЫ)6] в расчете на сухое вещество в зоне пламени составляет около 4.5 г/м , что близко к минимальной гасящей концентрации К4[Ре(С^6], определенной в лабораторных экспериментах [29].
Рис. 1. Очаг низового лесного пожара
Рис. 2. Тушение очага низового лесного пожара потоком аэрозоля 30 % раствора
К3^е(С№)6]
Воздействие аэрозольного облака, содержащего частицы К3[Ре(СЫ)6], на модельный очаг пожара в течение 5 минут не привело к его полному гашению. Основными причинами этого могут являться достаточно большой размер очага и массы горючих материалов по сравнению с условиями, в которых проводилось укрупненные испытания ранее [30]. Поэтому в дальнейшем необходимо учитывать влияние этих факторов. Кроме того, диаметр струи аэрозольного потока не позволяет охватить очага пожара по всей ширине, что приводит к более низкой концентрации пламегасителя на периферии аэрозольного потока. Также можно отметить низкую проникающую способность мелкодисперсного аэрозоля пламегасителя по глубине для сложного очага пожара, представляющего собой ветки и листву. Конвективные потоки не позволяют мелким частицам проникнуть внутрь такого очага на достаточную глубину и погасить его. Поэтому, по-видимому, необходимо комбинировать подачу мелкодисперсного аэрозоля с подачей более крупных
частиц, которые обладают достаточной инерцией для проникновения в очаг пожара на большую глубину. Кроме того, крупные капли способны непосредственно охлаждать горящую поверхность за счет смачивания.
Еще одним фактором, способным усилить действие пламегасителей, является уменьшение концентрации кислорода в аэрозольном потоке за счет введения в него выхлопных газов двигателя аэрозольного генератора.
(b) Модельный очаг пожара деревянного строения подвергали воздействию аэрозольного потока воды или 30% водного раствора K3[Fe(CN)6] (Рис. 3 и Рис. 4). Расход жидкости составлял 0.330 л/сек, время подачи аэрозоля составляло 5 мин. Так же как и в случае гашения очага низового лесного пожара, модельный очаг пожара деревянного строения был погашен частично (Fig 5). Обращенные к аэрозольному потоку деревянные поверхности покрылись слоем соли и их горение прекратилось. На других деревянных поверхностях горение продолжалось до полного выгорания древесины. Причины, по которым полного гашения данного очага пламени не произошло, аналогичны приведенным для случая гашения очага низового лесного пожара.
Рис. 3. Очаг пожара деревянного строения
Рис. 4. Тушение очага пожара деревянного строения потоком аэрозоля 30 %
раствора К3 [Б е(СК)6]
■
Рис. 5. Очаг пожара деревянного строения после тушения
(с) При воздействии в течении 5 мин на модельный очаг розлива нефтепродуктов аэрозольным потоком, содержащим частицы 30% раствора выбранного пламегасителя, гашения не произошло (Рис. 6 и Рис. 7). Визуализация процесса показала, что при воздействии аэрозольного потока интенсивность горения (высота факела пламени) несколько увеличивалась. Таким образом, для усиления действия пламегасителя необходимо создать концентрацию К3[Бе(СК)6] более 5 г/м в области очага пламени, а также ввести в аэрозольный поток инертный разбавитель (выхлопные газы турбины двигателя аэрозольного генератора).
I
Рис. 6. Очаг пожара розлива нефтепродуктов
Рис. 7. Тушение очага пожара розлива нефтепродуктов. потоком аэрозоля 30%
раствора
Заключение
Проведены полевые эксперименты по гашению модельных очагов низового лесного пожара, пожара деревянного строения и очага пожара розлива нефтепродуктов с помощью аэрозоля водного раствора соли калия. Проведенные испытания показали необходимость усовершенствования ранее разработанного метода пожаротушения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алеханов Ю.В., Левушов А.Е., Логвинов А.А., Локтев А.А., Мешков Е.Е. О способе получения диспергированной жидкости с газом при помощи поршневой машины и его возможных применениях // III Научно-техническая конференция “Научноинновационное сотрудничество”. Сборник научных трудов. Часть 1. Москва, - 2004, - С. 169170.
2. Корольченко А.Я. Технология импульсного водяного пожаротушения 1БЕХ 3000 // Пожаровзрывоопасность. - 2000. - №2. - С. 3-5.
3. Мешков Е.Е., Невмержицкий Н.В. Способ получения смеси диспергированной жидкости с газом. // Заявка №2001123009. Опуб. БИПМ №18.4.1, с. 90, 27.06.03.; Патент РФ №2220009, 2003.
4. Терпигорьев В.С., Соколов Ю.И., Щербаков О.П. Способ пожаротушения газожидкостной смесью и газожидкостная форсунка для его осуществления. // Патенты РФ №2074544, опубл. 27.02. 1997.
5. Сундхольдм Г. Способ пожаротушения и установка для осуществления этого способа. // Патент РФ № 2126282, опубл. 20.02. 1999.
6. Терпигорьев В.С., Щербаков О.П., Малинов В.М. Установка для тушения пожара. // Патент РФ №2193908, 20.03.2001.
7. Алексеев Ю.С., Донец В.В., Заволока А.Н., Кравчуковский В.Ф., Кремена А.П., Нода А.А., Свириденко Н.Ф., Сербин В.В. Устройство для получения струи жидкости с управляемой дисперсностью капель. // Патент РФ №2209124, 27.07. 2001.
8. Зуев Ю.В., Карпышев А.В., Лепешинский И.А. Способ пожаротушения с использованием летательного аппарата и устройство для его осуществления. // Патент РФ№2131379, опубл. 10.06.1999.
9. Зуев Ю.В., Карпышев А.В., Лепешинский И.А. Способ создания газокапельной струи, установка для её осуществления и сопло для создания газокапельной струи. // Патент РФ 2107554. БИ. 1998.
10. Алеханов Ю.В., Близнецов М.В., Власов Ю.А., Дудин В.И., Левушов А.Е., Логвинов А.И., Ломтев С.А., Мешков Е.Е. Взаимодействие диспергированной воды с пламенем // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, № 6. С. 1-6.
11. Пожарная техника. Часть 2 “Пожарные автомобили”. М.: Стройиздат, - 1988. - С. 100-105.
12. Вопросы лесной пирологии / Под ред. Н.П. Курбатского. - Красноярск: Институт леса и древесины им. В.Н. Сукачева. 1970. С. 340-353.
13. Конев Э.В. Физические основы горения растительных материалов. - Новосибирск: Изд. “Наука”, 1977. С. 206-237.
14. Жихарев С.С., Пискунов В.Н., Цыкин С.В., Мешков Е.Е., Затевахин М.А., Цариченко С.Г. Моделирование и оптимизация способов тушения пожара диспергированной водой. // Аэрозоли и безопасность. Международная научно-практическая конференция. -Обнинск-2005., С. 71-72.
15. Цыкин С.В. Способ тушения пожара с помощью капсул с водой. // Аэрозоли и безопасность. Международная научно-практическая конференция. - Обнинск-2005, С. 194196.
16. Баратов АН. Горение - Пожар - Взрыв - Безопасность. - М:. ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003.
17. Mawhinney J.R. Design of Water Mist Fire Suppression Systems for Shipboard Enclosures // Proceedings of the International Conference on Water Mist Fire Suppression Systems, November 4-5, 1993, Boras, Sweden, - 1993, - P. 16-44.
18. Moore. T.A., Weitz C., McCormick S., and Clauson M. Laboratory Optimization and Medium Scale Screening of Iodide Salts and Water Mixtures // Proceedings of Halon Option Technical Working Conference, - Albuquerque, NM, - 1996. - P. 477-498.
19. Shilling H., Dlugogorski B.Z., Kennedy E.M., and Leonardi E.. Extinction of Diffusion Flames by Ultra fine Water Mist Doped with Metal Chlorides. // Proceedings of the Sixth Australasian Heat and Mass Transfer Conference, - Begell House, New York, 1996, P. 275-282.
20. Zheng R., Rogg B., and Bray K.N., Effect of Sprays of Water and NaCl-water solutions on the Extinction of Laminar Premixed Methane-Air Counterflow Flames // Combustion Science Technology. - 1997. - V. 126. - P. 389-401.
21. Lazzarini A.K., Krauss R.H., Chelliah H.K., and Linteris G.T. Extinction Conditions of Non-Premixed Flames with Fine Droplets of Water and Water/NaOH Solutions. // Proc. Combust. Inst. - 2000. - V.28. - P. 2939-2945.
22. Mesli B., and Gokalp I., Extinction Limits of Opposed Jet Turbulent Premixed Methane Air Flames with Sprays of Water and NaCI-Water Solution. // Combustion Science Technology. -2000. - V. 153. - P. 193-211.
23. McDonnell D., Dlugogorski B.Z., and Kennedy E.M. Evaluation of Transition Metals for Practical Fire Suppression Systems // Proceedings of Halon Option Technical Working Conference, - Albuquerque, NM, - 2002. - P. 117-124.
24. Hirst R., Booth K. Measurement of Flame Extinguishing Concentrations // Fire Technol. 1977. V. 13. P. 296-315.
25. Hamins A., Gmurczyk G., Grosshandler W., Rehwoldt R.G., Vazquez I., Cleary T., Evaluation of Alternative In-Flight Fire Suppressants for Full-Scale Testing in Simulated Aircraft Engine Nacelles and Dry Bays. // Proceedings of Halon Option Technical Working Conference, -Albuquerque, NM, - 1994. - P. 345-465.
26. Hamins A., Flame Extinction by Sodium Bicarbonate Powder in a Cup Burner. // Proc. Combust. Inst. - 1998. - V. 27. - P. 2857-2864.
27. Linteris G.T., Katta V.R., Takahashi F., Experimental and numerical evaluation of metallic compounds for suppressing cup-burner flames // Combust. Flame. - 2004. - V. 138. #1-2. -P. 78-96.
28. Liu J., Cong B., Liao G., Experimental Study on CH4/Air Fire Suppression Effectiveness of Water Mist with Metal Chloride Additives. // Book of abstracts of 32th International Symposium on Combustion, August 3-8, 2008, - McGill University, Montreal, Canada, 1F03
29. Коробейничев О.П., Шмаков А.Г., Шварцберг В.М., Якимов С.А., Князьков Д.А., Комаров В.Ф., Сакович Г.В., Исследование фосфорорганических, фторорганических,
металлсодержащих соединений и твердотопливных газогенераторных составов с добавками фосфорсодержащих соединений в качестве эффективных пламегасителей, // Физика горения и взрыва. - 2006. - Т.42. №6. - С. 64-73.
30. Сахаров В.М., Куценогий К.П., Верховская Н.Н., Анкилов А.Н., Макаров В.И., Киров Е.И., Аэрозольный генератор // Патент РФ №950260 А01М7/00, опубл.15.08.1982, Бюл.№30.
31. Сахаров В.М. Конструктивные и режимные характеристики аэрозольного генератора с регулируемой дисперсностью. // Сб. научных трудов «Оптимизация технологии применения инсектицидных аэрозолей», - Изд. СО ВАСХНИЛ, Новосибирск, 1983, С.3-13
© О.П. Коробейничев, А.Г. Шмаков, А.А. Чернов, В.М. Шварцберг, К.П. Куценогий, В.И. Макаров, 2012
