Устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Материаловедение

УДК 614.842

УСТРОЙСТВО АЭРОЗОЛЬНО-ПОРОШКОВОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ О.И. Алтухов1, А.П. Амосов1, Е.А. Кузнец1, А.Р. Самборук1, В.В. Фрыгин2

1 Самарский государственный технический университет 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244 E-mail: [email protected]

2 СЭУ ФПС «Испытательная пожарная лаборатория» по Самарской области 443096, г. Самара, ул. Пролетарская, 74

Приведены результаты исследований по разработке устройства аэрозольнопорошкового пожаротушения, совмещающего в себе положительные стороны двух способов пожаротушения: аэрозольного и порошкового. Описан порядок и показана эффективность работы разработанного устройства.

Ключевые слова: пожаротушение, генератор огнетушащего аэрозоля, импульсный порошковый огнетушитель, огнетушащая способность, хлориды калия и натрия.

В настоящее время наиболее распространенными средствами пожаротушения являются порошковые огнетушители и генераторы огнетушащего аэрозоля (ГОА) ввиду универсальности использования и высокой огнетушащей способности. При этом ГОА эффективны для тушения пожаров в замкнутых помещениях, а огнетушащие порошковые составы (ОПС) - при локальном покрытии очага горения.

Одним из основных недостатков огнетушащих порошков, применяемых в настоящее время, является недостаточный охлаждающий эффект. При накрытии очага горения порошковой струей (облаком) тушение происходит практически мгновенно уже при концентрациях порошка 70-100 г/м3 даже для сравнительно крупнодисперсных порошков типа ПСБ-2, П1-АП и 30-70 г/м3 для наиболее распространенных «Вексон», «Феникс», «Пирант А» (АН), П2-АП. Однако сравнительно быстрое падение концентрации порошка вследствие оседания при наличии разогретых пламенем поверхностей часто приводит к повторным воспламенениям, что заставляет подавать порошок в течение некоторого времени после гашения, и тем больше, чем быстрее оседает порошок.

Учитывая характер зависимости огнетушащей эффективности от размеров частиц, а также то, что крупная фракция более эффективна на начальном этапе тушения, когда необходимо разрушить конвективную колонку очага и зону подсоса

Алтухов Олег Игоревич - аспирант.

Амосов Александр Петрович - д. т. н., профессор.

Кузнец Елена Анатольевна - к. т. н., доцент.

Самборук Анатолий Романович - д. т. н., профессор.

Фрыгин Валерий Валентинович - начальник СЭУ ФПС «Испытательная пожарная лаборатория» по Самарской области.

окислителя (заставив его засасывать огнетушащее облако) и экранировать горючие материалы от теплового потока, представляется перспективным производить тушение сразу двумя типами аэрозолей: порошковыми (крупной фракции) и свежеобразованными, получаемыми при горении специальных аэрозолеобразующих огнетушащих составов (мелкой фракции).

Это возможно при совместном применении импульсных порошковых огнетушителей и генераторов огнетушащего аэрозоля. Разрабатываемое устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения (УАПП) объединяет в себе положительные стороны вышеперечисленных способов тушения загораний - аэрозольного и порошкового.

Подобные устройства пожаротушения могут быть применимы для противопожарной защиты объектов малых и средних объемов, находящихся под напряжением до 1000 В, а также на сложных энергетических установках, двигателях, в том числе на взрывоопасных объектах. При этом газоаэрозольная струя истекает во флегмати-зированную атмосферу и охлажденный ультрадисперсный аэрозоль эффективно предотвращает повторные возгорания при минимальных концентрациях.

Исследования по разработке новых высокоэффективных средств пожаротушения ведутся в СамГТУ с 1982 года. В результате были разработаны порошковые огнетушители с газогенерирующими элементами, которые выпускаются в серийном производстве с 1989 года [1].

В настоящее время российскими производителями выпускаются либо различные типы генераторов огнетушащего аэрозоля, используемых как объемные средства пожаротушения, либо порошковые огнетушители, в том числе в виде импульсных модулей для направленной защиты пожароопасных объектов. Каждое из перечисленных средств обладает рядом недостатков, характерных для данного вида пожаротушения.

Разработка конструкции газогенерирующего устройства

Огнетушители с газогенератором имеют существенные преимущества перед огнетушителями с газовым баллоном и перед огнетушителями закачного типа. Это надежность работы, долговечность и безопасность при хранении (давление в корпусе огнетушителя отсутствует), простота перезарядки огнетушителя (не требуется компрессорное оборудование), увеличение срока до регламентной перезарядки огнетушителя (срок службы газогенератора 10 лет).

Самарским государственным техническим университетом разработаны уникальные газогенерирующие устройства, отличающиеся простотой конструкции и низкой температурой генерируемого газа (50-150 °С). Конструкция ГГУ предусматривает применение современных полимерных материалов, перерабатываемых по высокопроизводительной технологии экструзии. Это существенно снижает себестоимость продукции.

Применение аналогичных ГГУ в порошковых модулях гибридного устройства пожаротушения позволит снизить трудоемкость их производства, а также повысить надежность работы всей системы в целом.

В целях максимальной унификации конструкции газогенерирующих устройств в качестве базовых габаритов был выбран газогенератор для порошкового огнетушителя ОП-2(г) [2]. На рис. 1 представлена конструкция ГГУ.

С целью проверки стабильности выходных характеристик ГГУ при изменении рецептурно-технологических факторов были испытаны изделия с различными ре-

цептурами газообразующих составов (табл. 1).

Как видно из таблицы, при достаточно большом отклонении рецептурных факторов основные характеристики элемента изменяются незначительно, что подтверждает высокую стабильность его работы.

Рис. 1. Конструкция газогенерирующего устройства:

1 - корпус; 2 - сетка; 3 - бумага; 4 - зажигательный состав; 5 - заряд ГГС;

6 - набор картонных колец; 7 - донце; 8 - электровоспламенитель; 9 - фильтр;

10 - тканевый кружок

Таблица 1

Влияние рецептурных факторов на характеристики ГГУ

Рецептура газообразующего состава Время работы, с Температура генерируемого газа, °С Объем газа, 3 дм Давление внутри ГГУ, МПа

Нитрат калия - 57,5 Пульвербакелит - 27 Поливинилбутираль - 13,5 Графит - 2 1,2-1,4 90-95 8,1-8,8 3,0+5

Нитрат калия - 59 Пульвербакелит - 26 Поливинилбутираль - 14 Графит - 1 1,0-1,2 90-100 9,0-9,6 3,5+4

Нитрат калия - 60,5 Пульвербакелит - 25 Поливинилбутираль - 13,5 Графит - 1 0,8-1,1 95-105 9,3-10 3,8+6

Разработанный газообразующий заряд обеспечивает работоспособность газогенерирующего устройства в диапазоне температур ±50 °С и может быть использован для снаряжения гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения в качестве источника холодного газа.

Разработка генератора огнетушащего аэрозоля

Несмотря на то, что аэрозольные средства по основным технико-экономическим показателям (высокая огнетушащая способность, автономность, возможность автоматического приведения в действие, простота в эксплуатации, минимальный ущерб при применении) превосходят все средства, ранее используемые для тушения пожара, они не получили широкого распространения.

Это связано с тем, что существующие в настоящее время устройства генерируют аэрозоли в виде взвеси токсичных оксидов щелочных металлов, а в газообразных продуктах кроме азота и углекислого газа содержатся продукты неполного окисления горючих в виде угарного газа, аммиака, цианидов и оксиды азота. Поэтому перед запуском существующих ГОА обслуживающий персонал должен быть выведен из помещения. А это - потеря времени при пожаре, причем в самый ответственный начальный момент. Кроме того, оксиды щелочных металлов во влажной атмосфере легко гидролизуются, а образующиеся щелочи наносят ущерб оборудованию. Наконец, работа ГОА без охладителя характеризуется наличием значительного пламени, а при использовании охладителя резко снижается огнетушащая способность аэрозоля и возрастает его токсичность. Это обусловлено тем, что в существующих конструкциях ГОА для снижения температуры выходящего аэрозоля используются различные типы химических охладителей, которые, частично разлагаясь, загрязняют генерируемый аэрозоль продуктами своего разложения, ведут к снижению полноты реагирования компонентов аэрозолеобразующего состава (АОС) и образованию в газовой фазе аэрозоля токсичных продуктов (СО, НИ3, цианидов и др.).

В связи с этим было принято решение максимально ограничить использование химических охладителей и попытаться снизить температуру образующегося аэрозоля за счет передачи тепла реакции самому заряду АОС путем изменения схемы сжигания и устранения пламени за счет увеличения зоны протекания реакции горения внутри самого генератора и использования огнепреградительных сеток.

На начальном этапе исследований определялась оптимальная схема конструкции ГОА. Испытания проводились в трубках разной длины с доступом и без доступа воздуха снизу заряда, с огнепреградительными сетками и без них, с охладителем аэрозоля и без него. В качестве огнепреградительных сеток использовались металлические сетки с размером ячейки 0,5-1,0 мм. Охладителем аэрозоля являлись гранулы карбоната магния размером 5-6 мм в насыпном виде, высота охладителя 30 мм.

Анализ работы различных схем работы ГОА показал, что даже значительное увеличение пути прохождения аэрозоля внутри устройства (до 500 мм) не обеспечивает устранения пламени на выходе из устройства. При этом с увеличением пути прохождения аэрозоля возрастают его потери за счет осаждения на внутреннюю поверхность устройства (до 16%).

Подсос воздуха в какой-то степени уменьшает высоту пламени, но существенного влияния на него не оказывает, при этом возрастают потери аэрозоля.

После разборки сработанного ГОА было установлено, что основная часть аэрозоля оседает на боковой поверхности корпуса. Аэрозоль, оседающий на огнепрегра-дительных сетках, уносится потоком вновь образующегося аэрозоля.

Дополнительные исследования показали, что при использовании корпуса из различных материалов (металл, кварцевое стекло) количество оседающего аэрозоля изменяется несущественно и составляет 14-18%. Футеровка внутренней поверхности корпуса ГОА гипсом снизила потери аэрозоля до 4-5%. Поэтому целесообразно покрывать внутреннюю поверхность корпуса слоем твердого абляционного материала.

Введение огнепреградительных сеток оказывает заметное влияние на снижение высоты пламени. Введение охладителя исключает появление пламени на выходе из устройства, но с увеличением высоты засыпки охладителя резко увеличиваются потери аэрозоля (до 40%), также возможно его загрязнение продуктами разложения самого охладителя. Однако применение охладителя в небольших количествах возможно для охлаждения последней порции горячего аэрозоля. При этом целесообраз-

ным представляется применение блочного охладителя сотовой структуры, а не в насыпном виде.

В качестве дополнительного элемента конструкции ГОА, который несущественно его усложняет, но способствует лучшему распределению образующегося аэрозоля в защищаемом объеме, решено использовать выпускной конус с радиально расположенными щелями-завихрителями. Этот конус также будет выполнять функции конденсатосборника и шлакоприемника. Были разработаны различные варианты конструкций ГОА [3, 4].

Конструкция ГОА с огнепреградительными сетками и выпускным конусом представлена на рис. 2.

4

Рис. 2. Схема конструкции ГОА с огнезаградительными сетками и выпускным конусом:

1 - корпус; 2 - заряд АОС; 3 - выпускной конус; 4 - узел запуска;

5 - зажигательный состав; 6 - огнепреградительная сетка

Это самая простая конструкция с минимальными потерями аэрозоля. В зависимости от рецептуры АОС возможно использование 2-4 сеток. Причем в зависимости от температуры горения АОС возможно снижение температуры аэрозоля и без использования выпускного конуса.

Разработанные в инженерном центре СВС СамГТУ АОС при сгорании образуют аэровзвеси хлоридов натрия и калия в инертном беспримесном газе. В аэрозоле отсутствуют типичные для традиционных составов высокотоксичные оксиды натрия и калия, а также низшие окислы азота, углерода и цианиды. Тем самым повышается экологическая безопасность ГОА и значительно уменьшаются вредные воздействия на людей и оборудование, находящееся в защищаемых помещениях. При использовании разрабатываемых устройств отпадает необходимость в экстренной эвакуации обслуживающего персонала из защищаемых помещений.

Генерируемый аэрозоль характеризуется экологичностью (ПДК продуктов сгорания не более 1000 мг/м3), низкой температурой на выходе из генератора (80200 °С) и высокой огнетушащей способностью (10-50 г/м3) ко всем основным клас-96

сам пожаров, в том числе тлеющих очагов, составляющих до 90% от общего числа загораний.

В табл. 2 приведены основные характеристики аэрозолеобразующего огнетушащего состава, генерирующие аэровзвеси хлоридов натрия и калия в инертном газе [5].

Таблица 2

Основные характеристики АОС

Показатель, единица измерения Значение показателя

Рецептура состава, %:

- азид натрия 27±2

- перхлорвиниловая смола 20±2

- перхлорат калия 51±2

- технический углерод 2±0,5

Огнетушащая способность, г/м3 27-35

Температура горения, оС 1150-1250

Линейная скорость горения, мм/с 1,6-2,1

Газопроизводительность, л/кг 320-340

Состав газовой фазы, %:

- Ы2 33,0

- СО2 46,7

- Н2О 20,0

- СО 0,3

- НС1 0,007

Состав конденсированной фазы, %:

- ЫаС1 38,0

- КС1 61,0

- С 0,5

- Ыа20 0,5

Соотношение фаз (твердая/газовая) 0,5

Образующийся при работе ГОА безопасный для человека и оборудования аэрозоль позволяет производить запуск системы пожаротушения в начальный, самый ответственный момент возникновения пожара, не дожидаясь полного вывода обслуживающего персонала из защищаемого помещения, и наносит минимальный ущерб оборудованию.

Применение разработанных ГОА в гибридном устройстве аэрозольнопорошкового пожаротушения позволит устранить основные недостатки существующих ГОА и создаст возможность для их внедрения в широкую практику пожаротушения.

Совместное использование ГОА и ГГУ

Для изучения параметров совместной работы ГОА и ГГУ был разработан специальный испытательный стенд, имитирующий работу устройства аэрозольнопорошкового пожаротушения (рис. 3).

При работе испытательного стенда фиксировались следующие параметры:

- изменение давления внутри камеры горения генераторов аэрозоля и газа;

- изменение давления перед разрывной мембраной;

- изменение температуры на выходе из генераторов газа и аэрозоля.

1±

7

Рис. 3. Испытательный стенд УА1III:

1 - корпус; 2 - разрывная мембрана, 3 - огнетушащий порошковый состав;

4 - заряд АОС; 5 - заряд ГГУ; 6 - фильтр; 7 - электровоспламенитель;

8, 9 - датчик давления; 10 - датчик температуры; 11 - кронштейн крепления

В настоящее время завершены работы по созданию опытного образца УАПП [6]. Опытный образец УАПП состоит из металлического корпуса, выполненного из двух сферообразных частей, плотно соединенных между собой, в котором находятся огнетушащий порошок, газогенерирующее устройство, генератор огнетушащего аэрозоля, узел самозапуска и электрический активатор.

Принцип работы предлагаемого устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения состоит в следующем. Срабатывание устройства происходит при подаче электрического импульса на средство воспламенения 9 от системы автоматической пожарной сигнализации или по команде оператора. Время работы ИХГ составляет 1 -1,5 с, а ГОА - 30-35 с. При одновременном запуске ГОА 4 и ИХГ 7 нарастает давление внутри корпуса 1 и через 1,5-2 с происходит разрушение разрывной мембраны 2

и выброс огнетушащего порошка 3 в зону горения. При этом сначала защищаемое помещение заполняется порошковым облаком из огнетушащего порошкового состава с размером частиц 50-80 мкм.

Это объясняется тем, что огнетушащая эффективность зависит от размеров частиц огнетушащих веществ, и крупная фракция более эффективна на начальном этапе тушения, когда необходимо разрушить конвективную колонку очага и зону подсоса окислителя (заставив его засасывать огнетушащее облако), а также экранировать горючие материалы от теплового потока.

Причем из-за существенной разницы в быстродействии ответственным за реализацию этого этапа работы устройства является ИХГ. Через 8-10 с концентрация порошка крупной фракции снижается до 30%, но к этому моменту ГОА выдает 3035% свежеобразованного огнетушащего аэрозоля мелкой фракции с размером частиц 0,1-5 мкм, причем ГОА продолжает генерацию аэрозоля еще в течение 15-20 с. При этом создаются лучшие условия для распространения образующегося мелкодисперсного аэрозоля, так как устойчивая конвекция очага к этому моменту уже практически разрушена. Немаловажно и то, что поверхности предметов оказываются защищенными осевшей крупной фракцией порошка, а лучистое тепло струи экранируется уже витающими турбулизированными газопорошковыми облаками. Кроме того, газоаэрозольная струя истекает во флегматизированную атмосферу, а охлажденный ультрадисперсный аэрозоль эффективно предотвращает повторные возгорания при минимальных концентрациях. Также наблюдается эффект синергизма (взаимоусиления) порошкового и аэрозольного способов пожаротушения [7].

УАПП может применяться для противопожарной защиты объектов малых и средних объемов, находящихся под напряжением до 1000 В, а также там, где недопустимо использование водяного пожаротушения.

Устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения предназначено для локализации и тушения пожаров твердых горючих материалов, горючих жидкостей и электрооборудования, находящегося под напряжением, в производственных, складских, бытовых и других помещениях. УАПП является основным элементом для построения модульных автоматических установок порошкового пожаротушения. УАПП обладает функцией самосрабатывания при достижении температуры 85±5 °С. УАПП не тушит возгорания щелочных и щелочно-земельных металлов и веществ, горящих без доступа воздуха. Устройство относится к классу стационарных огнетушителей и не содержит озоноразрушающих веществ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Самборук А.Р. Горение пористых газогенерирующих и аэрозолеобразующих составов для средств пожаротушения: Дис. ... д-ра техн. наук: 01.04.17. / Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2006.

2. Амосов А.П., Алтухов О.И., Новоторов И.А., Самборук А.Р. Газогенерирующее устройство с сокращенным временем работы для порошкового огнетушителя ОП-2(г) // Современные проблемы специальной технической химии: Тезисы Международной научно-технической и методической конференции. - Казань, КазГТУ, 21-22 декабря 2007. - С. 165-169.

3. Патент № 66207 Российская Федерация, МПК А 62 С 13/22 № 2006117831/22. Генератор аэрозоля / Амосов А.П., Михайлов Ю.М., Кузнец Е.А., Рекшинский В.А., Самборук А.Р.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. техн. университет. - Заявл. 23.05.2006.

4. Патент № 2329840 Российская Федерация, МПК А62С13/00; В011 7/00. Способ объемного пожаротушения и устройство для его осуществления / Амосов А.П., Михайлов Ю.М., Кузнец Е.А., Рекшинский В.А., Самборук А.Р.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. техн. университет. -Заявл. 10.08.06.

5. Кузнец Е.А. Горение аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов: Дис. ... канд. техн. наук: 01.04.17 / Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2005.

6. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель «Гибридное устройство аэрозольнопорошкового пожаротушения». Алтухов О.И., Амосов А.П., Каплун Е.С., Кузнец Е.А., Самборук А.Р., Фрыгин В.В.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. техн. ун-т. -№2009122868/22; заявл. 15.06.2009.

7. Амосов А.П., Алтухов О.И., Кузнец Е.А., Самборук А.Р., Фрыгин В.В. Разработка гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения // Современные проблемы технической химии: материалы докладов Всероссийской научно-технической и методической конференции. - Казань, КГТУ, 7-9 октября 2009. - С. 393-401.

Статья поступила в редакцию 16 февраля 2010 г.

UDC 614.842

ARRANGEMENT OF AEROSOL-POWER FIRE-EXTINGUISHEV

O.I. Altukhov1, A.P. Amosov1, E.A. Kuznets1, A.R. Samboruk1, V.V. Frygin2

1 Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

2 Testing Fire-extinguishing Laboratory of Samara region 74, Proletarskaaya st., Samara, 443096

Results of development of an arrangement for aerosol-powder fire-extinguishing which combines positive aspects of two methods offire-extinguishing: aerosol and powder are presented. A procedure is described and an efficiency of operation of the arrangement developed is shown.

Key words: fire-extinguishing, generator of fire-extinguishing aerosol, pulsed powder fire-extinguisher, fire-extinguishing ability, potassium and sodium chlorides.

Oleg I. Altukhov - Postgraduate student.

Alexander P. Amosov - Doctor of Technical Sciences, Professor.

Elena A. Kuznets - Candidate of Technical Sciences, Associate professor. Anatoliy R. Samboruk - Doctor of Technical Sciences, Professor.

Valeriy V. Frygin - Director Testing Fire-extinguishing Laboratory.