CC BY
45
С. П. Храмцов
ст. научный сотрудник Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
А. В. Пряничников
п реподаватель- методист Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
П. В. Никишин
начальник военного представительства № 1 Управления военных представительств центра обеспечения деятельности ФПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
А. П. Кармес
ст. инженер-электроник Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
УДК 614.8+621.1
РАЗРАБОТКА СТВОЛОВ ПОДАЧИ ТЕМПЕРАТУРНО-АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ С НУЛЕВОЙ ОТДАЧЕЙ И ПОЛНЫМ РАСКРЫТИЕМ СТРУИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АВТОМОБИЛЯ ПОЖАРНОГО МНОГОЦЕЛЕВОГО
Учеными Академии ГПС МЧС России проведены исследования и разработаны насадки стволов для подачи темпе-ратурно-активированной воды, использование которых позволит уменьшить реакцию стволов, а также раскрыть струю на 180°. При тушении пожаров такие стволы могут существенно расширить тактику использования автомобиля пожарного многоцелевого и обеспечить защиту пожарных от тепловых потоков.
Ключевые слова: автомобиль пожарный многоцелевой; температурно-активированная вода; реакция ствола; взрывное вскипание; насадок ствола.
Термин "Температурно-активированная вода" (TAB) был впервые использован в статье И. М. Тетери-на в 2005 г. [10].
Физическая сущность получения TAB (рис. 1) сводится к подаче воды под большим давлением (от 1,6 до 4,7 МПа) в специально разработанный теплообменник. B теплообменнике вода сначала нагревается до температуры 160-210 °С (такую воду принято называть недогретой [3], поскольку температура жид-
Рис. 1. Схема получения TAB: 1, 2, 3, 4, 5 — параметры воды согласно таблице
кости меньше температуры насыщения при заданном давлении), затем по гибким или металлическим трубопроводам подается к специальным стволам-распылителям, где она за считанные доли секунды (10-4-10-9 с) переходит в метастабильное состояние. B результате последующего взрывного вскипания [9] образуются струи TAB (рис. 2) с размером капель от 1 до 10 мкм, которые по своим свойствам близки к теплым туманам и облакам. Основные параметры воды при ее температурной активации представлены в таблице.
Таким образом, TAB называется парокапельная смесь, полученная в результате мгновенного пере-
Параметры воды при ее температурной активации
№ п/п Tемперa-тура t, °С Давление P, МПа Состояние Bремя 1, с
1 4-60 0,01 Bодa 1-3
2 4-60 1,6-4,7 ^ же 3-5
3 160-210 1,3-2,0 Недогретая вода 40-60
4 160-210 0,6-1,9 Перегретая вода 10-4-10-9
5 60 0,01 TAB 300-1800
Установка пожаротушения TAB
© Храмцов С. П., Пряничников А. В., Никишин П. В., Кармес А. П., 2010
Рис. 2. Тушение горючей жидкости TAB
Рис. 3. АПМ 3-2/40-1,38/100-100 (43118), мод. ПиРоЗ-МПЗ
хода недогретой воды в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания.
После такого процесса вода приобретает уникальные свойства не только за счет получения капель микронного размера, но и изменения структуры воды. Эти свойства аналогичны тем, которые в природе вода приобретает в поровых породах при высоких температурах и давлениях [2]. Такая вода обладает повышенной способностью растворять и длительное время удерживать в своем составе растворенные вещества в аномальных количествах. Такая вода в работе академика Ф. А. Летникова [2] названа активированной, а сам процесс — температурной активацией.
B 2007-2008 гг. Академией ГПС МЧС России совместно со специалистами ООО "Аква-ПиРо-Альянс" был разработан и изготовлен автомобиль пожарный многоцелевой (АПМ), который в соответствии с приказом МЧС [17] поставлен на снабжение подразделений МЧС России (рис. 3). Результаты исследований по использованию АПМ для различных целей опубликованы в работах [4-8, 12-16].
Важным этапом в разработке тактики пожаротушения с применением ТАВ является исследование способов ее подачи. Были проведены исследования по подаче ТАВ из стволов с использованием шайбы с острой кромкой, через насадки с соплом Лаваля, с добавлением к насадку удлиняющей трубки. Это позволило определить основные диапазоны работы АПМ, основные характеристики струй ТАВ — дисперсность, дальность, необходимые расходы. Основные конструктивные особенности стволов-распылителей для подачи ТАВ представлены на рис. 4.
При истечении недогретой жидкости через канал в пространство, где давление меньше давления насыщения при заданной температуре воды, вскипание воды может происходить либо перед каналом, либо в самом канале, либо непосредственно за ним. Образованию пузырьков пара предшествует перегрев жидкости в потоке. Источником пузырьков могут быть как готовые центры, так и флуктуационные, имеющие различную природу, что обуславливает неодинаковые режимы вскипания жидкости.
При выходе воды из ствола происходит взрывное вскипание жидкости, что приводит к переходу гидравлического режима течения к критическому (кризис потока), что в синергетике принято называть неравновесным фазовым переходом. Струя вскипающей жидкости вследствие неустойчивости поверхности тангенциального разрыва и фазовой неустойчивости жидкого состояния характеризуется значительными флуктуациями. При таких условиях были обнаружены тепловые пульсации, спектр мощности которых изменяется пропорционально частоте (1/f, или фликкер-шум) [1, 9].
Опыты по тушению модельных очагов, проведение учений с использованием установки получения
Рис. 4. Основные конструктивные особенности насадков стволов-распылителей для подачи ТАВ: а — с шайбой с острой кромкой; б — с соплом Лаваля; в — дальнобойный ствол; а1, а2 — угол расточки соответственно суживающейся и расширяющейся части; d0 — диаметр сопла; d1 — диаметр наконечника насадка ствола
Рис. 5. Измерительный комплекс и схема для проведения испытаний: 1 — автомобиль пожарный многоцелевой; 2 и 3 — рукавные вставки для установки измерительных преобразователей; 4 — ручной ствол для подачи ТАВ; 5 —датчик избыточного давления; 6 — термопреобразователь; 7 — турбинный преобразователь расхода воды; 8 — соединительный кабель; 9 — разъем для кабеля; 10 — регистратор
220
200
1,74
2,34 2,19 188,0 2,0 182,5 / -
U 180
176,0
©
178,5
cd А о В S
160
140
120
100
+ + +
Х. ♦
X
X • ♦ X* ♦
®
2,91 193,2
А
1,0
1,5
2,0 2,5 Давление, МПа
3,0
3,5
Рис. 6. Результаты испытаний: ▲ — насадок с углом 45°; ♦ — насадок с углом 60°; • — насадок с углом 75°; X — насадок с углом 90°; + — экспериментальный насадок; ® — точка раскрытия струи на 180°
ТАВ, а также опыт эксплуатации прототипа АПМ в г. Москве выявили потребность в дальнейшем совершенствовании конструкций стволов подачи ТАВ и сопел к ним.
В связи с этим в 2008-2009 гг. по инициативе сотрудников отделения инновационных технологий от-
дела организации научных исследований и научной информации Академии ГПС МЧС России совместно со специалистами ООО "Аква-ПиРо-Альянс" были проведены исследования по созданию сопел-распылителей ТАВ, с помощью которых можно уменьшить реакцию стволов, а также раскрыть струю ТАВ на 180°. В научных трудах такой угол раскрытия струи называется эффектом Коанда [11]. Разработка таких стволов позволит существенно расширить тактику использования АПМ при тушении пожаров и обеспечить защиту пожарных от тепловых потоков.
Для этих целей был разработан ряд из семи насадков с различными внутренними углами — 10, 15, 30, 45, 60, 75 и 90°. Принцип работы сопел заключается в том, что струя воды, выходящая из насадка, стремится отклониться по направлению к стенке, т. е. происходит полное раскрытие струи на 180°.
При проведении экспериментов был использован измерительный комплекс для исследования гидравлических характеристик технических средств подачи ТАВ (рис. 5). Для измерения избыточного давления и температуры воды использована рукавная вставка 3 с установкой на нее датчика избыточного давления 5 и термопреобразователя 6. Для измерения расхода воды использована рукавная вставка 2 с турбинным преобразователем расхода 7. Для регистрации и визуализации параметров избыточного давления, расхода и температуры воды применен измерительный прибор — регистратор многоканальный технологический 10. Такой комплекс способен одновременно измерять избыточное давление в диапазоне от 0 до 4 МПа, расход — от 0,4 до 4,0 л/с и температуру—от 0 до+250 °С при движении воды по техническим средствам с сохранением данных на электронном носителе информации и выводом на экран монитора измерительного прибора.
В ходе эксперимента со стационарным истечением ТАВ в атмосферу было установлено, что при давлении 2,3 МПа и температуре до 210 °С на насадках с внутренними углами 10, 15 и 30° эффект Коанда не наблюдался. За истечением ТАВ в атмосферу велось визуальное наблюдение, и изменения форм струй последовательно фиксировались с помощью фотосъемки. Воздействие отдачи ствола определялось оператором, держащим ствол, по усилию в руке.
При использовании насадков с внутренними углами 45,60,75 и 90° эффект Коанда наблюдался. Результаты опыта подтвердили возможность полного раскрытия струи на 180° уже при давлении 2,0 МПа и температуре 180 °С. Анализ результатов (рис. 6) показывает, что с увеличением внутреннего угла эффекта Коанда можно добиться при меньших давлении и температуре. Стадии раскрытия струи по-
Рис. 7. Стадии раскрытия струи TAB: а — начальная, б — промежуточная, в — полное раскрытие
Рис. 8. Раскрытие струи при подаче TAB с использованием экспериментального насадка
казаны на рис. 7. При проведении экспериментов было выявлено, что величина силы реакции струи уменьшается с углом раскрытия струи и полностью исчезает при полном ее раскрытии.
B результате проведенных опытов был разработан еще один экспериментальный насадок к стволу "Пика" (рис. 8) для получения струй TAB с меньшей отдачей и полным раскрытием на 180°. B ходе исследования такого насадка эффект Коанда наблюдался уже при температуре 176 °С и избыточном давлении 1,73 МПа.
Проведенные исследования позволили доказать, что можно изготовить стволы с насадками, которые не будут иметь отдачи и могут сформировать движение струи вдоль защищаемых поверхностей и ограждений в зданиях. Опыты позволяют определить дальнейшие исследования по разработке профилей сопел с целью добиться получения полного раскрытия струи при меньших температуре и давлении, а также исследование характеристик распространения струй TAB вдоль поверхностей.
За проведенную работу авторы были отмечены дипломами Национальной Академии наук пожарной безопасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коверда В. П., Соколов В. Н., Скрипов В. П. 1/f при неравновесном фазовом переходе. Эксперимент и математическая модель // ЖЭТФ. — 1996. — Т. 63, № 9. — С. 739-742.
2. Летников Ф. А., Кащеева Т. В., МинцисА. Ш. Активированная вода. — Новосибирск : Наука,
1976.
3. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — 2-е изд., стереотип. — М.: Энергия,
1977. — 344 с.
4. Пряничников А. В. Единство функций пожарно-спасательной техники // Мир транспорта. — 2009. — №2. — С. 148-154.
5. Роенко В. В. Использование перегретой воды для тушения пожаров // Мир и безопасность.
— 2004. — № 6.
6. Роенко В. В. Анализ требований к комплексу средств пожаротушения автодорожных тоннелей (Начало. Окончание в № 4) // Мир и безопасность. — 2005. — №3. — С. 26-29.
7. Роенко В. В. Анализ требований к комплексу средств пожаротушения автодорожных тоннелей (Окончание. Начало в № 3) // Мир и безопасность. — 2005. — №4. — С. 26-29.
8. Роенко В. В. Уникальные свойства температурно-активированной воды // Пожарное дело. — 2009. — №4. — С. 20-22.
9. Скрипов В. П., Синицын Е. Н., Павлов П. А. и др. Теплофизические свойства жидкостей в ме-тастабильном состоянии : справочник. — М.: Атомиздат, 1980. — 208 с.
10. Тетерин И. М. Температурно-активированная вода — новая парадигма развития техники пожаротушения // Средства спасения : журнал-каталог. — 2005. — С. 44.
11. Фабер Т. Е. Гидроаэродинамика : пер. с англ. — М. : Постмаркет, 2001. — 543 с.
12. Храмцов С. П. Исследования движения перегретой воды по пожарным рукавам // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. — 2006. — №6. — С. 112-120.
13. Храмцов С. П. Вода для тушения пожаров // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — № 4. — С. 72-75.
14. Храмцов С. П. Измерительный комплекс для исследования работы пожарно-технического оборудования при подаче температурно-активированной воды // Автомобильная промышленность. — 2008. — №7. — С. 34-36.
15. Храмцов С. П. Эколого-экономический эффект использования температурно-активированной воды при тушении пожаров // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — № 4. — С. 72-79.
16. Храмцов С. П., Додонов Е. Д., Пряничников А. В., Кармес А. П. Инновационные технологии пожаротушения температурно-активированной водой // Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации : сб. матер. Международной научно-практической конференции. — В 2 ч.
— Ч.1. — Гомель : ГИИ, 2008. — С. 84-91.
17. О принятии на снабжение в системе МЧС России многоцелевого пожарно-спасательного автомобиля с установкой пожаротушения температурно-активированной водой АПМ 3-2/40-1,38/100-100(43118) : Приказ МЧС России от 14.05.2009 № 298. — М. : МЧС России, 2009. — 13 с.
Материал поступил в редакцию 28 июня 2010 г.
Электронный адрес авторов:[email protected].
