Тушение пожаров инертными газами в модели помещения с проемами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ICA_kbs@mgsu.ru)

А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ICA_kbs@mgsu.ru)

УДК 614.841.123.24

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ В МОДЕЛИ ПОМЕЩЕНИЯ С ПРОЕМАМИ

Выявлены закономерности процесса тушения пожаров в закрытых помещениях с проемом с использованием инертного газа. Рассмотрены допущения, которые необходимо ввести для анализа модели процесса тушения пожара в закрытом помещении, и показано, что их введение позволит избежать громоздких и трудоемких вычислений. Показано также, что пожар в закрытом помещении в условиях интенсивного газообмена определяется видом и размером пожарной нагрузки. Установлено, что введение инертного газа, например диоксида углерода, в помещение нарушает установившийся режим горения, и положение нейтральной зоны начинает меняться; при этом чем больше расход газа, тем быстрее снижается ее уровень. Горение прекращается, как только плоскость нулевого давления достигает поверхности горения, если она расположена на уровне или выше уровня проема. Если основание проема выше уровня поверхности горения, то горение практически прекращается в момент достижения нейтральной зоной основания проема.

Ключевые слова: пожаротушение; инертный газ; модуль газового пожаротушения; модель помещения с проемами; пожарная нагрузка; режим горения; нейтральная зона.

Модули газового пожаротушения — это современные и надежные противопожарные средства, которые являются одним из наиболее востребованных видов автоматических систем пожаротушения. В модулях газового пожаротушения могут использоваться в качестве газового огнетушащего вещества инертные газы — хладон, аргон, азот, углекислый газ, а также смеси аргонит, инерген, Коуес. Газовое пожаротушение эффективно прежде всего в замкнутых объемах, т. е. в помещениях, которые не имеют постоянно открытых проемов.

Одним из наиболее востребованных инертных газов является углекислый газ (углекислота). При нормальных атмосферных условиях углекислота представляет собой сухой нейтральный газ без цвета и запаха. При небольших концентрациях в воздухе (до 5 %) она безопасна для человека. Углекислота неэлектропроводна, химически неагрессивна к металлам, нефтепродуктам и другим легковоспламеняющимся жидкостям, оказывает щадящее действие на материалы и оборудование. Будучи в 1,5 раза тяжелее воздуха, она может проникать в места, труднодоступные для других средств пожаротушения: под плиты машинных и котельных отделений, в ограниченные пространства грузовых трюмов,

© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., 2014

танков, топливных цистерн, специальных судовых кладовых и т. д.

Углекислота хранится обычно в жидком состоянии в стальных баллонах. Для систем углекислот-ного пожаротушения, работающих под давлением порядка 12,5 МПа(125 кгс/см2), принято использовать стандартные 40-литровые баллоны, содержащие по 25 кг углекислоты. Баллоны размещают группами по 8-16 шт. в вертикальном положении головками вверх. При выходе из баллонов и внезапном расширении углекислота испаряется, превращаясь в газ, при этом ее объем увеличивается более чем в 500 раз. Часть углекислоты в результате переохлаждения переходит в твердое состояние, образуя "снежные хлопья", которые, попадая в очаг горения, мгновенно превращаются в газ. При этом углекислый газ, опускаясь к очагу пожара и обволакивая горящие вещества и предметы, вытесняет воздух, в результате чего концентрация кислорода в зоне горения снижается и горение прекращается. Эффективность пожаротушения достигается при достаточно высокой концентрации углекислоты в атмосфере помещения (22-23 %).

Совокупность батарей баллонов, соответствующего оборудования и трубопроводов называют

Форсунки подачи газа

Горючий материал

Модель помещения и характерного момента процесса тушения инертным газом: Н — высота проема, м; Анз — расстоя-

, о

ние до плоскости нулевого перепада давлении, м; пнз — нейтральная зона (зона равных давлении) в помещении, м;

гуО -

X — высота верхней части проема, через который продукты горения выходят из помещения, м; X — высота части проема, через которую происходит отвод продуктов горения из помещения, м; чг — объемный расход газа, м3/с; чв — объемный расход воздуха, поступающего в помещение, м3/с; чо — объемный расход продуктов горения горючей жидкости. м3/с; чпг — объемный расход продуктов горения, уносимых из помещения, м3/с

станцией углекислотного пожаротушения. В зависимости от размеров защищаемых помещений уг-лекислотная система может состоять из одной или нескольких станций. Температура в помещении станции должна быть умеренной — не более 40 °С, так как при дальнейшем ее увеличении возможно усиленное испарение углекислоты и опасное повышение давления в баллонах.

Закономерности процесса тушения пожаров с использованием инертного (в нашем случае углекислого) газа рассмотрим на примере горения плошки с горючей жидкостью (ГЖ) или штабеля древесины в модели закрытого помещения с одним проемом на фасаде (см. рисунок).

Через 3 мин после поджигания очага горения внутрь модели подается сверху диоксид углерода с постоянным расходом в течение всего опыта. При достижении в зоне горения концентрации газа, равной его минимальной флегматизирующей концентрации, горение прекратится, и пожар можно считать ликвидированным.

В модель процесса тушения пожара инертным газом в закрытом помещении необходимо ввести ряд упрощений, которые в принципе не противоречат реальному процессу и позволяют избежать громоздких и трудоемких вычислений, которые возможны лишь с использованием ЭВМ.

К моменту начала подачи диоксида углерода считаем процесс горения установившимся, что означает сохранение неизменным положения только нейтральной зоны (зоны равных давлений) в по-

мещении. На модели эта зона обозначена Анз: з = Н - X0 Параметр X определяет площадь проема, через который происходит отвод продуктов горения из помещения . Естественно, что вместе с продуктами горения из помещения будет уноситься часть газа, подаваемого для тушения пожара.

Потоки газов чв и дп г определяются произведением соответствующих линейных скоростей на площади проемов:

Чв = ив ^ ц = ив Ан.з Ву; (1)

9п.г= ЦпГц = ипг(Н-Анз)Ву = ЦпгХцВ^, (2)

где ив и ип г — линейные скорости соответственно поступающего в помещение воздуха и уносимых продуктов горения, м/с;

Гви Гп г — площади частей проема, через которые соответственно поступает воздух и уносятся продукты горения, м2;

ц — коэффициент, учитывающий площадь проема;

Вv — ширина проема, м . Примем несколько допущений Первое допущение. Величина потока продуктов горения ч0 не зависит от высоты подъема, поскольку, с одной стороны, восходящий нагретый поток разбавляется частично воздухом из помещения, а с другой — охлаждается в результате конвективного теплообмена, т. е . величина потока воздуха компенсируется общим понижением температуры восходящей газовой колонны Такое упрощение позволяет учесть действие двух факторов — увлечение части воздуха восходящими продуктами горения и постепенное понижение температуры газа по мере его подъема. При этом расход продуктов горения ГЖ может быть рассчитан по формуле

Чо = (им Го То)/Тт,

(3)

где им — массовая скорость выгорания горючей жидкости, кг/с;

Го — теоретический удельный объем воздуха, необходимый для сжигания 1 кг горючего, м3/кг; Тг и То — температура продуктов горения с учетом тепловых потерь и температура окружающей среды соответственно, К Данное допущение позволяет понять, что увеличение объема восходящей колонки за счет подсоса воздуха компенсируется уменьшением ее объема в результате охлаждения ее тем же воздухом . Объем восходящего газового потока в каждом элементарном сечении постоянен, поскольку увеличение массы обеспечивается синхронным повышением плотности смеси продуктов горения и воздуха

Второе допущение. Состав и температура среды над плоскостью нулевого давления одинаковы во всех точках, т. е. поступающие продукты горе-

ния практически мгновенно перемешиваются с газовой средой.

Третье допущение. Если поток продуктов горения намного превышает поток газовой смеси из помещения через проем, то их содержание в помещении начнет увеличиваться, что приведет к постепенному уменьшению высоты нейтральной зоны. При з = 0 зона горения окажется полностью блокированной продуктами горения, которые благодаря флегматизирующему действию компонентов (инертного газа и паров воды) прекратят процесс горения.

Таким образом, потухание внутреннего пожара может произойти и без дополнительного введения газа, а за счет образования и самопроизвольного накопления нейтральных газов в процессе горения.

Плотность газовой смеси над плоскостью нулевого давления Р изменяется от р2 = рв при Z = 0 и х = 0 до р2 = рк при Z = Н и х = хк (где р2, рк — плотности соответственно газовых смесей в зоне Z и продуктов горения, выносимых через проем; рв — плотность воздуха, поступающего в помещение; хк — момент времени, к которому кн з = 0 и Z = Н). Причем зависимость р2 от Z можно представить формулой

_ _ рвркН

(Р в -Р к) Z + Р к H

(4)

которая вполне отвечает указанным выше граничным условиям: при Z =0 рг = рв и при Z = Н рг = рк.

Зависимость р2 от Z, введенная формулой (4), позволяет в явном виде представить взаимосвязь плотности продуктов горения рпг и параметра кн з или точнее q.пr и Z. Согласно формуле (2)

q п.г = Ц Uп.г ZB v = ц В 2qZ

Рв -Рк

(5)

Подставив в (рв - р2)/р2 вместо параметра р2 его выражение по формуле (4), получим:

р в -р г Z (р в -р г)

H Рк

(6)

Обозначим (рв - рк)/рк = Р и подставим его и (6) в (5):

q п.г= Ц В v Z 2V2qp/ H . (7)

Приняв Р = 2,0 и ц = 0,7, получим ц^2qP = = const = 4,0 м1/2/с; = 6,3 м1/2/с. Обозначим 4,05 v /i1/2 = n. Тогда

q п. г = 6,3Ц В v

H

1/2

(8)

Выражение (8) показывает, что поток газов из помещения с одним проемом пропорционален квадрату высоты верхней части проема.

Четвертое допущение. Если характер пожара зависит от количества и вида пожарной нагрузки, то поток продуктов горения можно рассчитать по формуле (3), но при ограниченной площади проемов скорость горения на пожаре определяется интенсивностью газообмена, т. е. скоростью поступления воздуха в помещение. Запишем выражение (7) для дв по аналогии с формулой (5):

q в = Ц В v К\q

Ph

Ph

(9)

где рк — средняя плотность газа в части помещения от пола до плоскости равных давлений (ПРД), кг/м3.

Средняя плотность газа в помещении до уровня плоскости нулевого давления (ПНД) может быть выражена с учетом плотности газа в восходящей колонне над поверхностью горения р? (кг/м3), которая, в свою очередь, зависит от высоты над уровнем пола. Исходя из очевидных соображений, имеем:

рч = рг пРи йн.з =0 и р9 = рв пРи ь = н; рн = рв пРи = 0 и рк = рч при = (где — площадь помещения; Го — площадь пожара).

Таким образом, удается в явном виде представить соотношение (рв - рн)/рн :

Fп Рв - Pq

Ph

(Рв - Рг) (2H - h) 2р в H

(10)

где рг — плотность продуктов горения в момент их образования, кг/м3.

Подставив выражение (10) в исходную формулу (9) и проведя ряд преобразований, получим формулу для определения дв, применение которой ограничено значением Ннз > 0,4Н, причем начиная с Ннз > 5Н погрешность расчета не превышает 15 %, а при Н ~ 0,6Н составляет менее 8 %:

q в = Ц Fi

FH Y/2 I р Е

1/2

(11)

Выражение (11) необходимо для определения установившегося уровня нейтральной зоны в случае, когда скорость горения обусловлена газообменом

Определим положение ПРД в помещении при установившемся горении перед началом подачи ог-нетушащего газового состава.

Если положение ПНД в течение определенного периода времени остается неизменным, то масса воздуха 0о, нагретого в процессе горения до температуры продуктов горения, равна массе газового потока Оп г, уходящего из помещения через верхнюю часть проема, т е

Со = Оп.г ,

(12)

где Со = Ро qо; Сп .г = Рп . г qn

z

о

в

z

о

в

z

2

Подставим в формулу (12) значения объемных расходов воздуха, поступающего в помещение, и продуктов горения, уносимых из помещения, рассчитанных по формулам (11) и (8). После некоторых преобразований получим уравнение

X = 0,43Я I -Л

1/2

1/2

1 + 4,651 ^ I - 1

. (13)

В зависимости от соотношения площадей пожара и помещения значения параметров X и Анз меняются в узком диапазоне: при Рп /Ро = 0,5 X = 0,53Н и Ан з = 0,47Н, а при Рп/Ро = 0,8 X = 0,57Н и Ан.з = 0,43Н.

Таким образом, к моменту начала тушения параметр Xможет быть рассчитан по соотношению (13) . Количество и природа пожарной нагрузки в этом варианте не определяют установившегося уровня нейтральной зоны, поскольку горение обуславливается только интенсивностью газообмена — притоком воздуха в помещение.

Характер пожара в условиях интенсивного газообмена определяется видом и количеством пожарной нагрузки. Размеры проемов достаточно велики, и поток воздуха с избытком может обеспечить объем кислорода, теоретически необходимый для свободного развития пожара.

При установившемся режиме горения массы газа, поступающего в помещение при горении и выходящего из него, равны. Напишем уравнение баланса массы газов в соответствии с формулами (3) и (8) и выразим массовую скорость выгорания через удельную:

им Ро Г0 Ро |-о| = 6,3цв

2

н

1/2

Ро,

(14)

где им — удельная скорость выгорания, кг/(м2-с). Отсюда

X

= им Ро Го (Го/ ту) н12 1 6,3 ц ву

(15)

Формула (15) в отличие от соотношения (13) дает зависимость высоты части проема, через которую происходит отвод продуктов горения, не только от общей высоты проема Н, но и от параметров пожарной нагрузки в помещении.

Рассмотрим пример расчета высоты части проема, через которую происходит отвод продуктов горения, на лабораторной модели.

Возьмем следующие исходные данные: им =0,02 кг/(м2-с); Рп = 200 см2 = 200-10-4 м2; Ву = 0,15 м;Н = 0,15 м; Го = 4,2 м3/кг; Тг = 1200 К; То = 300 К; ц = 0,6.

Подставив данные в формулу (15), получим:

X =

0,02 • 0,02 • 4,2 • 1200 • 0,15 6,3 • 0,6 • 300 • 0,15

1/2

= 0,02 м = 2 см.

Отсюда высота нейтральной зоны Анз = Н - 2 = = 13 см.

Введение диоксида углерода в помещение нарушает установившийся режим горения, и положение нейтральной зоны начинает меняться; при этом чем больше расход газа, тем быстрее снижается ее уровень. Горение прекратится, как только плоскость нулевого давления достигнет поверхности горения, если она расположена на уровне или выше уровня проема. Если основание проема выше уровня поверхности горения, то горение практически прекратится в момент достижения нейтральной зоной основания проема, т. е. условием тушения является А = 0 или X = Н.

Введение газа рассматривается как условие, необходимое для уменьшения высоты нейтральной зоны. Попытаемся определить время тушения модельного очага через толщину слоя продуктов горения, исходное положение которого задается исходным значением X, вычисляемым по формуле (13) или (15) в зависимости от типа пожара.

Запишем уравнение, из которого можно определить время тушения модельного очага с ГЖ диоксидом углерода тт (с):

(Рп - Ро) = Чг ¿т - Чп.г ¿т. Подставив формулу (8) в (16), получим:

(Рп - Ро)тГ = Чг - 6,3цВЛ

ат

I X2

н

1/2

или

¿Т =

н^(Рп - Ро^

6,3ц В,

Ч

н1/2

(16)

(17)

(18)

6,3ц В ^

X2

Обозначим член чН 1/2/(6,3ц в у ) через а2 и проведем интегрирование от т = 0 до т = тт и от X = X0 до X = Н:

т=0

н У2( Р п - Ро) 6,3ц Ву

¿X

2 гу2 '

а - X

(19)

н1/2 (р п - Ро) 6,3ц Ву 2а

X=н

1п

а - X

= т о 1п

Н а - X

0

а - Н

н

Н11 Ро

6,3ц В у • 2а ^ 6,3ц В у Ч]

?0

1/2

(20)

Н1/2 Р •

1 х 1 О >

о

о

г

т

0

т

a =

H

1/2

6,3 ц Bv

Поскольку а > Н и, соответственно, a >> Z ,товы ражение (20) можно упростить:

a + H

тт = т„ ln

a - H

(21)

Уравнение (21) можно упростить, если представить его в следующем виде:

Тт ] _

a - H

(22)

Показательную функцию разложим в степенной ряд и ограничимся первыми двумя членами ряда. При этом погрешность формулы не превысит 20 %,

если тт < то.

или

После преобразований получим т т = 2т o H/ (a- H) n H

-J~q тл[д - H

(23)

(24)

где n =

2HF

H

1/4

т =

(6,3 ц В у )^2' (6,3 ц В у )^2' Обработав экспериментальные данные зависимости величин —от ^[д в соответствии с (24)

получим прямую, описываемую уравнением

1 _ т jq 1 IT, nH n

(25)

Параметры т, п и Н, входящие в соотношение (25), могут быть рассчитаны до проведения эксперимента, поэтому прямая, полученная теоретически в координатах формулы (25), может быть сопоставлена с опытными данными.

Полученная зависимость позволит проводить расчет времени тушения пожара с учетом объемного расхода инертного газа и параметров проема в помещении.

Т т =

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьяконов Г. К. Вопросы теории подобия в области физико-химических процессов. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.—206 с.

2. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М. : Наука, 1973. — 847 с.

3. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей.—М.: АН СССР, 1961.—208 с.

4. Мак-Адамс В. X. Теплопередача / Пер. с англ. — Л.-М., 1936. — 440 с.

Материал поступил в редакцию 15 ноября 2013 г.

= English

FIRE EXTINGUISHING BY INERT GASES IN THE MODEL OF ROOM WITH OPENINGS

KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Academician of International Academy of Ecology and Life SafetyHead of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: ICA_kbs@mgsu.ru)

SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: ICA_kbs@mgsu.ru)

ABSTRACT

It presents process patterns of fire extinguishing with the inert gas in confined room with one front opening. The article considers the assumptions that should be introduced in order to analyze the process pattern of fire extinguishing in confined room; and demonstrates that these assumptions will eliminate cumbersome and time-consuming calculations. Therein it is shown that the fire in confined room with intensive gas exchange is determined by the type and scope of fire load. It is established that the injection of an inert gas, e. g. carbon dioxide, into the room distorts the rate of fire which leads to repositioning of a neutral zone. Thus, the more gas is consumed, the faster decreases

the level of the neutral zone. Burning stops as soon as the plane of zero pressure reaches the burning surface — if it is at the level or above the level of front opening. If the opening bottom is above the burning surface, burning almost ceases when the neutral zone reaches the opening bottom.

Keywords: fire extinguishing; inert gas; pattern of gaseous fire suppression; model of room with openings; fire load; rate of fire; neutral zone.

REFERENCES

1. Dyakonov G. K. Voprosy teoriipodobiya v oblastifiziko-khimicheskikh protsessov [Questions of similarity theory in the field of physical and chemical processes]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 1956. 206 p.

2. Loytsyanskiy L. G. Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of liquid and gas]. Moscow, Nauka Publ., 1973. 847 p.

3. Blinov V. I., KhudyakovG. N. Diffuzionnoye goreniye zhidkostey [Diffusion burning of liquids]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 1961. 208 p.

4. McAdams W. H. Heat transmission. New York, McGraw-Hill, 1933. (Russ. ed.: McAdams W. H. Teplo-peredacha. Leningrad-Moscow, 1936. 440 p.).

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет книгу

ОГНЕТУШИТЕЛИ. УСТРОЙСТВО. ВЫБОР. ПРИМЕНЕНИЕ

Д. А. Корольченко, В. Ю. Громовой

В учебном пособии приведены классификация огнетушителей и конструкции основных их типов, средства тушения, используемые для зарядки огнетушителей, виды огнетушителей и правила их применения для ликвидации загораний различных веществ, рекомендации по расчету необходимого количества огнетушителей для разных объектов, по их размещению, хранению и техническому обслуживанию.

Рекомендации, содержащиеся в книге, разработаны на основе современных нормативных документов, регламентирующих конструкцию, условия применения, правила эксплуатации и технического обслуживания огнетушителей.

Учебное пособие рассчитано на широкий круг читателей: инженерно-технических работников предприятий и организаций, ответственных за оснащение объектов огнетушителями, поддержание их в работоспособном состоянии и своевременную перезарядку; преподавателей курсов пожарно-технического минимума и дисциплины "Основы безопасности жизнедеятельности" в средних и высших учебных заведениях; частных лиц, выбирающих огнетушитель для обеспечения безопасности квартиры, дачи или автомобиля.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru; www.firepress.ru