CC BY
44
ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА
Канд. техн. наук, Московский авиационный институт
А. В. Карпышев
Московский авиационный институт
А. А. Афанасьев
Канд. техн. наук, Московский авиационный институт
А. Л. Душкин
Московский авиационный институт
В. В. Матушкин
Московский авиационный институт
Н. Н. Рязанцев
Д-р техн. наук, Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН
М. Д. Сегаль
УДК 614.846
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО ОГНЕТУШИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАЦИИ СТРУЙ ТОНКОРАСПЫЛЕННЫХ ОГНЕТУШАЩИХ ВЕЩЕСТВ
Рассмотрена научно-исследовательская и опытно-конструкторская деятельность специалистов Московского авиационного института по созданию нового поколения первичных средств пожаротушения на основе аэрокосмических технологий. В результате проведенных исследований создан, успешно испытан и внедрен новый тип универсального высокоэффективного огнетушителя. Выполнен сравнительный анализ наиболее распространенных типов огнетушителей.
По мнению специалистов МЧС России, проблема обеспечения пожарной безопасности в Российской Федерации остается достаточно острой. Нарастание угроз техногенных аварий и катастроф, прогрессирующий износ и старение оборудования, значительное увеличение потребления электроэнергии, повышение этажности зданий — все это влечет за собой рост пожарной опасности.
Особое внимание необходимо уделять проблеме обеспечения пожарной безопасности объектов социальной сферы и жилого сектора, где регистрируется более 70% происходящих в России пожаров. Недавние трагические события (пожар в г. Владивостоке, наркологической больнице г. Москвы), сопровождавшиеся массовой гибелью людей, продемонстрировали необходимость скорейшего оснащения объектов экономики, социальной сферы, жилого сектора современными высокоэффективными первичными средствами пожаротушения, разработанными на базе высоких технологий.
В настоящее время в качестве первичных средств пожаротушения используются, как правило, порошковые, углекислотные, воздушно-пенные и водные огнетушители. Как будет показано ниже,
эти средства по ряду причин не отвечают всему комплексу требований повышения противопожарной защиты в современных условиях.
Прекращение процесса окислительно-восстановительных реакций осуществляется следующими способами: охлаждением зоны горения ниже температуры воспламенения, уменьшением концентрации реагирующих веществ инертными парами или газами ниже уровня устойчивого горения или прекращением доступа окислителя в зону химической реакции за счет создания изолирующего слоя из пленкообразующих веществ. Еще один способ — с помощью специальных веществ — так называемых ингибиторов. До сих пор в качестве основного огнетушащего средства используется вода. Помимо этого применяются химическая и воздушно-механическая пена, углекислый газ, азот, хладон, огнетушащие порошки, водяной пар, а также вещества, тормозящие химическую реакцию горения. Подача огнетушащих веществ (ОТВ) в очаг горения производится с помощью различных средств пожаротушения, самым распространенным и доступным первичным средством тушения является огнетушитель.
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16 №2
Существует большой спектр огнетушителей, различающихся как по составу огнетушащего вещества, так и по типу конструкции (закачные, с баллоном вытесняющего газа, с газогенерирующим устройством). Наиболее распространены порошковые и углекислотные огнетушители.
Порошковый огнетушитель заправлен измельченными минеральными солями с различными добавками. Прекращение реакции горения при подаче порошка в очаг возгорания в меньшей степени осуществляется за счет снижения температуры зоны реакции отводом тепла, идущего на нагревание твердых частиц и изменение их агрегатного состояния. Основными факторами прекращения процесса горения при тушении порошками являются: прерывание цепной химической реакции ингибиторами, входящими в состав исходного вещества и появляющимися в процессе его термического разложения; разбавление зоны реакции негорючими газами (как правило, СО2), выделяющимися из исходного вещества в процессе термического разложения; изолирование зоны реакции непроницаемой для окислителя пленкой, образующейся при плавлении исходного вещества. Порошковый огнетушитель, как правило, позволяет тушить любые классы пожаров, в том числе электрооборудование под напряжением. Существенный недостаток порошкового огнетушителя заключается в том, что порошок не охлаждает поверхность горения, снижая тем самым эффективность при тушении так называемого тлеющего горения, т.е. горения, происходящего без доступа кислорода воздуха. Другим недостатком является слеживаемость порошка при хранении. Из-за этого порошковые огнетушители требуют перезарядки 1 раз в 2-5 лет. Кроме того, при тушении в помещении мелкая взвесь порошка (с размерами частиц порошка порядка 50 мкм) попадает не только на очаг возгорания, но и приводит к объемному загрязнению помещения, а в ряде случаев, распространяется по вентиляционным каналам и проникает в другие помещения, что может привести к выходу из строя электронной и электрической аппаратуры. Кроме того, мелкодисперсный порошок, попадая в легкие при дыхании, вредит здоровью человека.
Углекислотный огнетушитель заправлен двуокисью углерода под давлением около 60 атм, вследствие чего его корпус достаточно тяжелый. Тушение осуществляется за счет снижения концентрации кислорода в зоне химической реакции. Огнетушитель прост, надежен, обслуживание сводится к регулярному (раз в год) взвешиванию, но неэффективен при тушении тлеющего горения. При уменьшении концентрации двуокиси углерода в помещении горение может возобновиться. Основное преимущество углекислотного огнетушителя
— возможность безопасного тушения электрооборудования под напряжением до 10 кВ. Однако в процессе тушения раструб огнетушителя охлаждается до -75°С, что может вызвать термический ожог у оператора. Кроме того, во время тушения на корпусе углекислотного огнетушителя может накапливаться статическое электричество, что требует применения в ряде случаев диэлектрических перчаток. Но основной недостаток заключается в том, что объемная концентрация двуокиси углерода, необходимая для эффективного пожаротушения, во много раз превышает предельно допустимую концентрацию в воздухе рабочей зоны и жилых помещений. При использовании углекислотных огнетушителей в закрытых помещениях в присутствии людей могут возникнуть негативные последствия для их здоровья.
Кроме порошковых и углекислотных огнетушителей существуют и другие виды: воздушно-пенные, водные, хладоновые и т.д. Но они мало распространены и имеют ряд недостатков. Например, водные огнетушители могут эксплуатироваться только при положительных температурах, их нельзя использовать для тушения электроустановок под напряжением, а сертифицированные хладоновые огнетушители в настоящее время не выпускаются, поскольку в 1987 г. был подписан "Монреальский протокол", ограничивающий использование хладона.
Таким образом, можно сделать вывод, что из существующих в настоящее время огнетушителей ни один не является универсальным, позволяющим эффективно тушить любые классы пожаров, и безопасным при применении в закрытых помещениях в присутствии людей.
По мнению разработчиков систем пожаротушения, на данный момент наиболее перспективным способом подавления очагов возгорания является применение тонкораспыленной воды.
Вода — наиболее эффективное и безопасное ог-нетушащее вещество, особенно при тушении твердых и тлеющих горючих веществ, позволяющее быстро снизить температуру в очаге возгорания и осадить продукты горения. Но она замерзает при отрицательных температурах, а также является электропроводной, что не позволяет тушить электрооборудование под напряжением. Кроме того, струей воды нельзя потушить легковоспламеняющиеся жидкости.
Однако, как показали результаты многолетних исследований, проведенных в Московском авиационном институте, особым образом организованные потоки тонкораспыленной воды позволяют избежать большинства недостатков и совместить положительные качества рассмотренных огнетушителей в одном универсальном.
На основе многолетнего опыта работы в области аэрокосмической техники были разработаны эффективные технологии получения тонкораспыленных потоков воды и различных огнетушащих веществ и созданы новейшие системы пожаротушения, успешно себя зарекомендовавшие в ходе испытаний и эксплуатации. Например, создан новый высокоэффективный воздушно-эмульсионный огнетушитель ОВЭ-6(з)-АВЕ-01 (торговая марка "Темперо"), генерирующий струю тонкораспыленного огнетушащего вещества. Огнетушитель предназначен для оперативного подавления начальных очагов возгораний всех классов, кроме горения металлов. В ходе сертификационных испытаний было показано, что 6 л огнетушащего вещества, находящихся в огнетушителе, полностью подавляют очаг возгорания класса 6А (горение твердых материалов площадью до 27,7 м2) или горение ЛВЖ класса 183В (горение 183 л бензина на площади 6 м2). Огнетушитель разрешен к применению для тушения электроустановок под напряжением до 1 кВ. Дальность струи ОТВ составляет 5-7 м, что вполне достаточно для тушения очага возгорания с безопасного для оператора расстояния.
Появлению огнетушителя ОВЭ-6(з)-АВЕ-01 предшествовала большая работа. Первоочередной задачей было создание огнетушащего вещества, превосходящего по своим параметрам все существующие. За основу была выбрана вода вследствие ее наиболее высокой пожаротушащей эффективности. С помощью специальных добавок и ингибиторов был не только достигнут требуемый температурный диапазон применения нового ОТВ (-30...+50°С), но и значительно повышена эффективность тушения как твердых горючих веществ, так и легковоспламеняющихся жидкостей. Этот состав получил название "Темперо-01". Одним из требований при создании нового ОТВ являлась безопасность данного состава для здоровья человека. Это подтверждено санитарно-эпидемиологическим заключением, в соответствии с которым допускается применение огнетушителя в закрытом помещении в присутствии людей без использования средств индивидуальной защиты.
Следующим этапом работы было изучение гидродинамики жидкостных струй, генерируемых специально разработанными распылительными устройствами, с целью оптимизации дальности струи, количества подаваемого ОТВ, а также выбора размера и скорости капель огнетушащего вещества, оптимальных для достижения максимальной эффективности тушения. Испытания проводились на специальном гидродинамическом стенде, оборудованном системой фирмы "Malvern" (рис. 1), позволяющей измерять объемную концентрацию и раз-
Рис. 1. Гидродинамический стенд с системой измерения размера частиц
100
а и т
io
о й
3
н арн
о
50-
20
ц
и т
15
10
5
а т о т с а
:т
1 10 100 1000 Диаметр частицы, мкм
Рис. 2. Распределение капель по размеру
мер капель в исследуемом потоке. Результаты измерений обрабатывались ЭВМ и выводились на печать в виде гистограммы. На рис. 2 представлен график распределения капель в потоке по размеру. Данные фиксировались на расстоянии 2 м от среза сопла огнетушителя ОВЭ-6(з)-АВЕ-01.
Параллельно с гидродинамическими испытаниями распылительных форсунок проводились огневые испытания по тушению различных очагов пожаров. Они показали высокую эффективность как самих распылительных форсунок, так и нового состава "Темперо-01".
Но для создания действительно универсального огнетушителя необходимо было решить еще одну задачу — теоретически и экспериментально обосновать возможность безопасного тушения электроустановок под напряжением. С этой целью проводились комплексные испытания по определению тока утечки по струе огнетушащего вещества на специальном электростенде (рис. 3), выполненном в соответствии с требованиями ГОСТ 51057-2001. Согласно этому документу допустимый ток утечки по струе ОТВ не должен превышать 0,5 мА при на-
ООЖАРООЗРЬЮОБЕЗООАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16 №2
0
0
пряжении на мишени 36 кВ и расстоянии от среза распылителя до мишени 1 м. Проведенные исследования показали, что добавление в состав ОТВ солей, ингибиторов, пенообразователей и прочих веществ не влияет на возрастание тока утечки, если данные вещества не ухудшают дисперсионные характеристики струи. После серии экспериментов и соответствующей доработки была создана форсунка, генерирующая струю ОТВ с током утечки 0,2-0,3 мА, что меньше допустимых по ГОСТ значений. Такой результат достигнут за счет того, что струя ОТВ не является сплошной, а представляет из себя ансамбль отдельно летящих капель в потоке воздуха.
Поскольку новый огнетушитель может эксплуатироваться при отрицательных температурах (до -30°С), что особенно важно для нашей страны, испытания на электробезопасность и огневые испытания были повторены с образцами, охлажденными в термокамере до -30°С. Результаты экспериментов показали, что огнетушащая способность и максимальное значение тока утечки практически не изменились по сравнению с нормальными условиями эксплуатации при плюсовых температурах.
В 2005 г. новой разработкой заинтересовались специалисты пожарной охраны Московского метрополитена. На основании указания начальника Московского метрополитена Д. В. Гаева были организованы и проведены уникальные испытания огнетушителя 0ВЭ-6(з)-АВЕ-01 в московском метро. Целью данных экспериментов являлась проверка возможности безопасного применения огнетушителя для подавления характерных очагов возгорания в метрополитене при напряжении на контактном рельсе, составляющем 825 В постоянного тока.
Испытания состояли из трех этапов. Первые два этапа проходили в электродепо на открытом воздухе. На первом этапе измерялась величина тока утечки по струе ОТВ при дистанционном запуске огнетушителя (рис. 4), при этом струя огнетушащего вещества направлялась непосредственно на контактный рельс, находящийся под рабочим напряжением, с расстояния 1 м. Испытывались несколько огнетушителей, ток утечки измерялся в режиме реального времени вплоть до полной выработки запаса ОТВ, а также в циклическом режиме работы. Величина тока утечки во всех случаях не превысила 10 мкА. На втором этапе производилось тушение характерных очагов возгорания оператором (без диэлектрических перчаток) при рабочем напряжении на контактном рельсе (рис. 5).
Успешные результаты испытаний в электродепо позволили перейти к третьему, самому важному этапу — тушению характерных очагов возгорания в тоннеле при рабочем напряжении на контактном
Рис. 3. Испытания огнетушителя на электростенде
Рис. 4. Измерение тока утечки по струе ОТВ
рельсе. Испытания прошли успешно, огнетушитель подтвердил свою эффективность и безопасность в сложных условиях тоннеля.
Таким образом, теоретически и экспериментально была подтверждена возможность создания нового поколения универсальных и безопасных первичных средств пожаротушения, использующих принцип генерации тонкораспыленных потоков ОТВ.
Для более наглядного сопоставления параметров разработанного огнетушителя с другими, выпускаемыми отечественными разработчиками, в табл. 1 приведены характеристики огнетушителей объемом 5-8 л, различных типов и производителей.
В табл. 2 представлены сравнительные характеристики передвижных огнетушителей объемом 50-100 л и огнетушителя ОВЭ-6(з)-АВЕ
Из табл. 2 видно, что огнетушитель ОВЭ-6(з)-АВЕ по эффективности сопоставим с крупногабаритными и тяжелыми (весом более 100 кг) передвижными огнетушителями с гораздо большим запасом ОТВ.
Таблица 1. Характеристика огнетушителей объемом 5-8 л закачиого типа
Марка огнетушителя Производитель Объем ОТВ Огнетушащая способность Возможность тушения электроустановок под напряжением Длина струи, м Температурный диапазон, °С Вес, кг
ОВЭ-6(з)-АВЕ ООО "Темперо" 6 л 6 А; 183 В До 1000 В 6 -30. +50 12
ОВП-8(з) ОАО "Пожтехника" 8 кг 2 А; 55 В Нет 4 +5. +50 13,5
ОУ-8 ОАО "Пожтехника" 5,6 кг 55 В До 10000 В - -40. +50 18
ОП-6(з) ОАО "Пожтехника" 6 кг 3 А; 89 В До 1000 В 3,5 -40. +50 11,5
ОУ-6 ООО "Каланча" 4,2 кг 34 В До 1000 В - -40. +50 14,5
ОП-5 "Пожсервис-М" 4 кг 3 А; 89 В До 1000 В 3,5 -40. +50 8
ОУ-5 "Пожсервис-М" 3,5 кг 34 В До 1000 В 3 -40. +50 13
Таблица 2. Характеристики передвижных огнетушителей объемом 50-100 л
Марка огнетушителя Производитель Тип огнетушителя Объем ОТВ Огнетушащая способность Возможность тушения электроустановок под напряжением Длина струи, м Температурный диапазон,1^ Вес, кг
ОВЭ-6(з)-АВЕ ООО "Темперо" Закачной 6л 6 А; 183 В До 1000 В 6 -30...+50 12
ОВП-50 "Пожсервис-М" Источник 42,5 кг 4 А; 144 В Нет 6 +5...+50 95
давления
ОП-50 "Пожсервис-М" Закачной 42,5 кг 6 А; 233 В До 1000 В 6 -40...+50 100
ОВП-100 "Пожсервис-М" Закачной 85 кг 6 А; 233 В Нет 6 +5...+50 165
Рис. 5. Тушение очага возгорания под контактным рельсом в депо
В настоящее время на основе результатов разработки огнетушителя ОВЭ-6(з)-АВЕ-01 создан модельный ряд воздушно-эмульсионных огнетушителей различного объема (от 2 до 45 л), использующих аналогичный принцип организации потока
тонкораспыленных ОТВ. Отдельного внимания заслуживает огнетушитель ОВЭ-2(з)-АВЕ-01 с объемом ОТВ 2 л. Он предназначен специально для защиты легкового автотранспорта и способен потушить очаг горения твердых, в том числе тлеющих, материалов площадью до 9 м2, а также полностью ликвидировать горение до 55 л бензина или дизельного топлива.
Таким образом, успешное использование научного и технологического потенциала отечественной аэрокосмической промышленности в сочетании с передовой экспериментальной базой позволило создать и приступить к массовому внедрению уникального технического средства пожаротушения — воздушно-эмульсионного огнетушителя, применение которого дает возможность повысить уровень противопожарной безопасности на объектах энергетики, транспорта, машиностроения, топливно-энергетического комплекса, а также учреждений социальной сферы и жилого сектора.
Поступила в редакцию 21.02.07.
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2007 ТОМ 16 №2
73
