CC BY
2УДК 614.845.6
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ ПРИ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ПОДАВЛЕНИИ ВОЗГОРАНИЙ
И Стрижак П. А., Шлегель Н. Е., Подгорная Е. Р., Забелин И. В.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
E-mail: [email protected]
Приведены результаты экспериментальных исследований синтезирования кристаллов гидрата двуокиси углерода при варьировании типа поверхностно-активных веществ, его диссоциации и влияния совокупности факторов на характеристики процесса подавления возгораний инновационным самосрабатывающим гидратным огнетушителем. Разработана схема применения гидратных огнетушителей для подавления возгораний. Определены границы применимости огнетушителя и технологии на его основе для подавления горения жидких и твердых веществ и материалов.
Ключевые слова: газовый гидрат, двуокись углерода, синтез, ликвидация возгораний, ги-дратный огнетушитель.
APPLICATION OF GAS HYDRATES IN LOCALIZING AND SUPPRESSING FIRES
И Strizhak P. A., Schlegel N. E., Podgornaya E. R., Zabelin I. V.
National Research Tomsk Polytechnic University, TPU, Tomsk, Russia
The results of experimental studies of the synthesis of dioxide hydrate crystals with the introduction of a type of surfactant, its dissociation and impact on the environment, on the characteristics of the fire suppression process with an innovative self-acting hydrating fire extinguisher are presented. A scheme for using hydrate fire extinguishers to suppress fires has been developed. The limits of applicability of the fire extinguisher and technology based on it to suppress the combustion of liquid and solid substances and materials have been determined.
Key words: gas hydrate, carbon dioxide, synthesis, extinguishing fires, hydrate fire extinguisher.
Введение. Газовые гидраты представляют нестехиометрические каркасные кристаллические соединения, образованные низкомолекулярным газом и водой в условиях пониженной температуры и высокого давления [6, 7]. К этим газам относятся легкие углеводороды (СН4, С2Н6, С3Н8 и др.), углекислый газ, сероводород, азот и др. [1]. В природе гидраты в основном существуют в глубоководных отложениях и вечной мерзлоте. Искусственные и природные газовые гидраты имеют обширную область применения [4]: в энергетике, газохимии, нефтехимии, системах теплообмена. В настоящее время газогидраты пока не нашли широкого применения для локализации и ликвидации возгораний вследствие отсутствия результатов экспериментальных и теоретических исследований условий горения материалов при контакте с ними. Важно обосновать, насколько они эффективны. Целесообразно разработать технологии для транспортировки, хранения и подачи гидрата в зону горения. С учетом результатов анализа [5] можно сделать
вывод о том, что подавление возгораний гидратом является весьма перспективным. В гидрате присутствует инертный газ, который позволит вытеснить из зоны горения окислитель, а лед и вода, меняя агрегатное состояние, позволят снизить температуру в очаге возгорания [8]. Гидрат предполагается использовать в самосрабатывающем гидратном огнетушителе, который в момент разрыва оболочки срывает пламя ударной волной, что приводит к подавлению пламенного горения. Вода, водяной пар и инертный газ в дальнейшем снижают температуру и концентрацию окислителя в окрестности реагирующего материала [3]. Основные стадии процесса подавления возгораний с применением газовых гидратов изучены в [2] на примере небольших по массе образцов реагирующих материалов и веществ. Нерешенной в полной мере остается задача переноса результатов экспериментов по подавлению возгораний с применением гидратов на полноразмерные очаги в замкнутых объемах.
Методика. Для проведения исследований по ликвидации возгораний твердых и жидких веществ и материалов самосрабатывающим гидратным огнетушителем использовался стенд, схема которого приведена на рис. 1. Стенд представлял собой параллелепипед, выполненный из стали марки СТ3, с габаритными размерами 430*430*460 мм и толщиной стенки 2 мм. На одной из стенок параллелепипеда предусмотрено смотровое окно размерами 200*200 мм для видеофиксации процессов подавления возгораний веществ и материалов. На другой боковой стенке стенда предусмотрено отверстие размером 80*80 мм для подачи самосрабатывающего огнетушителя в зону горения.
Экспериментальные исследования проводились для двух типов очагов возгорания, смоделированных согласно ГОСТ 51057. Первый тип очага возгорания изготавливался из твердых горючих материалов: применялись кедровые бруски размерами 200*25*25 мм и влажностью около 16%. Для инициирования процесса горения добавлялся бензин объемом около 10 мл, который воспламенялся от пьезоэлектрического элемента. Второй очаг представлял емкость высотой 100 мм и внутренним диаметром 300 мм. Площадь поверхности реагирующего материала в
модельном очаге составляла около 0,07 м2. В емкость наливалась вода в объеме 15 и 50 мл. На слой воды наливался бензин в объеме 10 и 20 мл. Далее инициировалось его горение с помощью пьезоэлектрического элемента.
Для создания самосрабатывающего гидратного огнетушителя использовались емкости, выполненные из РЕТ-пластика, объемом 50 и 100 мл. В верхней части емкости располагалась крышка с резьбовым соединением.
Рис. 1. Схема стенда: 1 — корпус; 2 — огнетушитель; 3 — очаг; 4 — видеокамера; 5 — персональный компьютер
Критическое давление разрыва самосрабатывающего гидратного огнетушителя составляло около 14 бар. Масса гидрата контролировалась лабораторными весами и варьировалась от 35 до 75 г. Для определения условий срабатывания гидратного огнетушителя проведена серия экспериментов, в ходе которых в него добавлялась вода объемом 25, 50 или 75 мл. Также проводились эксперименты по инициированию срабатывания за счет механического воздействия. На огнетушитель оказывалось внешнее воздействие. Реализовывались соударение металлического шарика диаметром 4,5 мм, выпущенного из пневматического метательного устройства, и соударение условного снаряда массой 28 г, выпущенного со скоростью 20 м/с. Также оценивалось механическое воздействие от соударения огнетушителя с очагом возгорания.
Результаты. На рис. 2 приведены результаты математической обработки экспериментальных данных в виде зависимости отношения длительности подавления горения (т ) к времени задержки срабатывания (тас) от отношения объема углекислого газа (Р"С02) к объему реагирующего материала в модельном очаге (V). Анализ результатов экспериментальных исследований позволил выделить несколько интересных эффектов. Во-первых, при ликвидации возгорания древесины объемом около 0,0045 м3 установлено, что необходимая и достаточная масса гидрата в огнетушителе составляла около 42 г (объем СО2 составлял 2,9 10-5 м3). Во-вторых, дальнейшее увеличение массы гидрата приводило к снижению времени задержки срабатывания огнетушителя. Увеличение массы гидрата также приводило к снижению времени ликвидации возгорания. Такой эффект обусловлен тем, что большое количество льда попадало на поверхность реагирующего материала, в связи с чем нужно большее количество теплоты для его плавления и смены агрегатного состояния. Для плавления льда требовалось 10,5 кДж, после плавления
Рис. 2. Зависимость отношения длительности подавления возгорания (т ) к времени срабатывания (тас) от отношения объема углекислого газа в гидрате (V ) к объему материала в очаге (V)
льда наступал процесс испарения воды, для которого необходимо было около 21 кДж. Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что для ликвидации возгорания исследуемого очага нужно от его поверхности отвести теплоту в количестве около 31,5 кДж. В-третьих, определено, что использование ПАВ в гидрате позволяет после плавления льда образовывать устойчивый пенный слой над очагом возгорания. Этот слой блокирует подвод окислителя в зону горения. Установлен нелинейный вид для зависимости, иллюстрирующий стремительное уменьшение отношения длительности подавления горения к времени задержки срабатывания с увеличением массы гидрата. Этот вид обусловлен одновременным протеканием прокомментированных выше физико-химических процессов, характеризующихся нелинейными зависимостями выходных характеристик от входных параметров.
На основе экспериментальных результатов получено математическое выражение, описывающее зарегистрированную зависимость:
¥СО = (-56520,28 т 2/т - 189,15 т /т + 4,36)-V,
СО2 4 5 ех ас 5 ех ас 5 ' Р
где V — объем навески реагирующего материала в очаге возгорания (составлял около 0,0045 м3).
Выводы. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что повысить скорость срабатывания можно за счет уменьшения объема свободного пространства в гидратном огнетушителе. Так, огнетушитель емкостью 50 мл срабатывал через 2,5 с после помещения его в очаг возгорания, а емкостью 100 мл с тем же объемом гидрата — спустя 3,5 с. Это обусловлено тем, что критическое давление в большем объеме накапливалось дольше. Также исследования показали, что наиболее целесообразным является добавление небольшого количества воды в гидрат. Такой подход ускорял рост давления в корпусе самосрабатывающего гидратного огнетушителя за счет подводимой водой энергии, достаточной для нагрева гидрата до 0 °С. Например, при добавлении воды объемом 75 мл скорость срабатывания огнетушителя в 9 раз больше, чем при добавлении 25 мл, и в 60 раз больше, чем без добавления воды.
Механическое воздействие оказывало значительное влияние на задержку срабатывания огнетушителя. Механическое воздействие на оболочку огнетушителя позволяло ускорить достижение в нем критического давления срабатывания (14 бар). В результате механического воздействия на корпус огнетушителя удалось снизить время срабатывания огнетушителя на 20 с. Определено максимальное соотношение объема навески твердого материала в очаге возгорания к объему гидрата в огнетушителе, которое составило около 30. При данном соотношении осуществлялась гарантированная ликвидация возгорания созданным огнетушителем. Так как при таком соотношении количества выделяемой теплоты при термическом разложении очага возгорания было недостаточно для нагрева, плавления и испарения гидрата. Также установлено, что использование самосрабатывающих гидратных огнетушителей является нецелесообразным для ликвидации возгорания жидкого топлива. Большая часть пламени при срабатывании огнетушителя срывалась. Однако в верхней части испытательной камеры происходило догорание паров легких углеводородов, что приводило к повторному возгоранию.
На основе результатов экспериментальных исследований получено математическое выражение для расчета коэффициента эффективности огнетушителя при ликвидации возгорания. Разработана концептуальная схема применения самосрабатывающих гидратных огнетушителей на основе двуокиси углерода для ликвидации возгораний на различных объектах и предприятиях. Предложена схема использования самосрабатывающих гидратных огнетушителей с применением беспилотного летательного аппарата и метательной установки.
Работа выполнена при поддержке программы Национального исследовательского Томского политехнического университета (Приоритет-2030-№Р/ЕВ-006-375-2023).
Список литературы / References
1. Abbasi A., Hashim F. M. A review on fundamental principles of a natural gas hydrate formation prediction // Petroleum Science and Technology. 2022. Vol. 40, N 19. P. 2382-2404.
2. Gaidukova O., Donskoy I., Misyura S., Morozov V., Volkov R. The Interaction between a Liquid Combustion Front and a Fire Barrier Made of CO2 Hydrate // Fire. 2023. Vol. 6, №3. P. 124.
3. Hu X., Kraaijeveld A., Log T. Numerical Investigation of the Required Quantity of Inert Gas Agents in Fire Suppression Systems // Energies. 2020. Vol. 13, N 10. P. 2536.
4. Kubica P., Czarnecki L., Boron S., Wqgrzynski W. Maximizing the retention time of inert gases used in fixed gaseous extinguishing systems // Fire Safety Journal. 2016. Vol. 80. P. 1-8.
5. Li H., Hao J., Du Z. Study on the Minimum Fire-Extinguishing Concentration of Several Commonly Used Extinguishing Agents to Suppress Pyrolysis Gas of Red Pine Wood // ACS Omega. 2023. Vol. 8, N 8. P. 7757-7766.
6. Li S., Wu D., Wang Z., Liu J., Xie Y. Numerical simulation of dissociation front of shenhu hydrate reservoirs by depressurization // Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica. 2019. Vol. 49, N 3. P. 034609.
7. Lin J. Research on Formation Prediction Model of Gas Hydrate // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 651, N 3. P. 032088.
8. Shishova N. V., Fesenko E. E. The prospects of the application of gases and gas hydrates in cryopreserva-tion // Biophysics. 2015. Vol. 60. P. 782-804.
