CC BY
9
УДК 536.244
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ЛЮДЕЙ ОТ ТЕПЛОВОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА
A.B. Гутовский
адъюнкт кафедры эксплуатации трапспортпо-техиологических машин и комплексов Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск
E-mail: gutovskiy.alexeyQmail.ru С.А. Гарелина
кандидат технических наук, доцент
доцент кафедры механики и инженерной графики
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: s.garelinaQamchs.ru
К.П. Латышенко
доктор технических наук, профессор
профессор кафедры механики и инженерной графики
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: к.latyshenkoQamchs.ru
А.Ю. Морозов
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской Академии Наук
Адрес: 119333, г. Москва, Вавилова, д.44, корп. 2, научный сотрудник
ФГВОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» Адрес: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4 E-mail: morozovQinfway.ru
Аннотация. В статье рассмотрен вопрос о влиянии состава пакета материалов на количество теплоты, поступающей во внутреннее пространство средства защиты от лесного пожара. Приведены результаты экспериментальных исследований, на основе которых выбраны составы пакетов материалов для создания средства защиты.
Ключевые слова: эксперимент, температура, средство защиты, лесной пожар, пакет материалов, ткань.
Цитирование: Гутовский A.B., Латышенко К.П., Гарелина С.А., Морозов А.Ю. Выбор материала для средства защиты людей от теплового воздействия лесного пожара // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 4 (43). С. 56-62.
С целью повышения безопасности людей, оказавшихся в окружении горящей кромки верхового лесного пожара, в Академии гражданской защиты МЧС России ведутся научные исследования, направленные на создание мобильного средства защиты в виде быстровозводимой палатки из термостойких материалов. В рамках данной работы проведено исследование влияния теплофизических свойств материалов на количество переданного тепла от внешней к внутренней поверхности пакета материалов.
При попадании человека в очаг лесного пожара теплообмен между ним и окружающей средой осуществляется конвективной и лучистой энергией. Учитывая скорость движения горящей кромки верхового лесного пожара, ее ширину и безопасное расстояние до нее, время теплового воздействия на человека,
превышающее допустимые нормы, составляет не более 15 минут [1]. В течение этого времени человек может подвергаться воздействию пламени пожара с температурой до 1200 °С.
На сегодняшний день применяемые средства защиты от тепловых воздействий пожара не обеспечивают безопасность в условиях лесного пожара.
При создании средств защиты людей от тепловых воздействий пожара в настоящее время применяют пакеты материалов из слоев различного назначения. Как правило, внешний слой выполняют из теплоотражательно-го материала с низкой степенью черноты поверхности е, задачей которого является отражение от поверхности максимального количества инфракрасного излучения (далее ПК-излучения) .
Для сдерживания роста температуры на внутренней поверхности защитного барьера (пакета материалов) следующий слой выполняют из теплоизоляционного материала. При этом все слои пакета должны работать в заданном интервале температур без разрушения своей структуры, т.е. обладать достаточной термостойкостью.
С целью выбора состава пакета материалов корпуса мобильного средства защиты проведены экспериментальные исследования свойств наиболее распространенных материалов.
Снижение воздействия ПК-излучения на средство защиты можно обеспечить выбором материала с меньшей приведенной степенью черноты его поверхности е при условии, что он не разрушится в течение заданного времени.
Чаще всего эту задачу решают за счет применения алюминиевой фольги или с помощью металлизированного покрытия поверхности.
В качестве экспериментальных образцов были выбраны следующие теплоотражатель-ные материалы: алюминиевая фольга 60 мкм (е = 0,05);
кремнеземная ткань с металлизированным покрытием ТОК-200 {е = 0,85);
кремнеземная ткань с металлизированным покрытием ТК-800 {е = 0,85);
стеклоткань спасательного рукава (е = 0,9);
кремнеземная ткань КТ-11-С8/3 {е = 0,9).
Из этих материалов были изготовлены образцы квадратной формы со сторонами 120 мм (рисунок 1).
Рисунок 1 Теплоотражательные образцы материалов Для выполнения опытов была создана экспериментальная установка (рисунок 2).
Рисунок 2 Экспериментальная установка: 1 подставка; 2 стойка; 3 платформа; 4 окно факела; 5 - газовая горелка; 6 - факел; Ъ - расстояние от газовой горелки
до платформы
С целью создания температуры 1200 °С на поверхности экспериментального образца он размещался на платформе так, чтобы полностью закрывал окно факела. Далее, при включенной газовой горелку, передвигали платформу по стойкам вверх и вниз, измеряя ИК-термометром SMART SENSOR AR872D температуру в центре охваченной пламенем поверхности материала до тех пор, пока на ней не установилась температура 1200 °С. Данная температура была зафиксирована на расстоянии h = 50 мм (рисунок 2). Все последующие эксперименты выполняли на указанном расстоянии.
Все образцы размещались на установке и подвергались воздействию открытого пламени в течение 15 минут.
В результате воздействия открытого огня было установлено:
1. Алюминиевая фольга, кремнеземная ткань ТОК-200 и стеклоткань получили сквозной прогар.
2. У кремнеземной ткани ТК-800 выгорело металлизированное покрытие, но основа осталась неповрежденной.
3. У кремнеземной ткани КТ-11-С8/3 повреждений не выявлено (рисунок 3).
Рисунок 3 Теплоотражательные образцы после воздействия пламени
В итоге для дальнейших исследований из представленных образцов было отобрано 2 материала, у которых в течение 15 минут воздействия пламени основа не подверглась разрушению (кремнеземная ткань с металлизированным покрытием ТК-800 и ткань КТ-11-С8/3).
Аналогично были проведены эксперименты с теплоизоляционными материалами (рисунок 4):
ватин холстопрошивной (ТОК-200); войлок тонкошерстяной (ТК-800); огнестойкий термоекрепленный объемный
утеплитель «Негорин» (ТОК-200);
синтетический материал из ультратонких волокон «Shelter» (ТОК-200);
промышленный материал из кремнеземных волокон «Ekowool».
Чтобы исключить прямой контакт тепло-изоляторов с пламенем, нагреваемая поверхность образцов была защищена термостойкой кремнеземной тканью.
В результате воздействия огня произошло разрушение теплоизоляционного материала всех образцов, за исключением «Ekowool» (рисунок 5).
Shelter Ekowool
Рисунок 4 Теплоизоляционные образцы
Shelter Ekowool
Рисунок 5 Теплоизоляционные образцы после воздействия пламени
Для дальнейших) проведения экспериментов из всех теплоизоляционных образцов был выбран материал из кремнеземных волокон «Еко\уоо1».
На следующем этане из теплоотражатель-
ных и теплоизоляционных тканей, которые не разрушились иод воздействием огня, были созданы два комплекта пакетов материалов с толщиной теплоизоляторов 5 = 8, 16, 24, 32 и 40 мм (рисунок 6).
Рисунок 6 Комплекты пакетов материалов
Комплект № 1 кремнеземная ткань с металлизированным покрытием костюма ТК-800 и теплоизоляционная ткань «Еко\тоо1». Комплект № 2 кремнеземная ткань КТ-11-С8/3 и теплоизоляционная ткань «Еко\уоо1».
Задача состояла в изучении зависимости температуры Т материала на противоположной нагреву поверхности от различной толщины 5 и состава пакета материалов.
Показания температуры Т снимали
ИК-термометром с противоположной поверхности пакета материалов относительно нагреваемой поверхности с интервалом 1 минута в течение 15 минут. Данная операция проводилась по 10 раз для каждохх) образца. После чего рассчитали средние арифметические значения температур Т для пакетов комплекта материалов № 1 и № 2, на основе которых построены графики зависимости температуры Т от их толщины 5 (рисунок 7).
Рисунок 7 Графики зависимости температуры от времени для пакетов материалов разной толщины: а) комплект № 1; б) комплект № 2
Из графиков видно, что, во-первых, с увеличением толщины 5 температура поверхности Т уменьшается и, во-вторых, при прочих равных условиях температура поверхности Т пакета материалов комплекта № 1 ниже, чем
комплекта № 2. Также на основе графиков получены уравнения зависимости температуры Т от толщины пакета материалов 5 для комплекта № 1 и № 2, (рисунок 8).
Рисунок 8 - Графики зависимости температуры Т от толщины пакетов материалов 5
В соответствии с исследованиями, проведенными НИИ охраны труда, за предельную температуру нагретых поверхностей ограждений принято значение 100 °С при отсутствии непосредственного контакта тела человека с нагретой поверхностью [2].
С помощью полученных уравнений регрессии установлено, что за 15 минут воздействия пламени, температура на противоположной поверхности комплекта № 1 достигнет 100 °С при толщине пакета материалов § = 20 мм, а на поверхности комплекта Л*8 2 — при 5 = 22 мм (рисунок 8). Следовательно, изготовленное средство защиты из комплекта № 1 будет обладать меньшим объемом в сложенном (транспортном) положении по сравнению со средством защиты, выполненным из материалов комплекта № 2.
Согласно эргономических требований [3], приходящийся на одного человека объем перемещаемого объекта (средства защиты в транспортном положении) должен быть не более 1,2 м3. Поэтому для соблюдения данного ограничения из двух комплектов более предпочтительным для создания средства защиты является пакет материалов комплекта № 1.
Вывод
Экспериментально изучены свойства некоторых наиболее распространенных промышленных теплоотражательных и
теплоизоляционных материалов, применяемых для изготовления средств защиты от тепловых воздействий.
В результате опытов было установлено, что за 15 минут воздействия открытого пламени с температурой 1200 °С, среди всех опытных образцов не подверглись термическому разрушению два теплоотражательных материала (кремнеземная ткань с металлизированным покрытием костюма ТК-800 и кремнеземная ткань КТ-11-С8/3) и один теплоизоляционный материал из кремнеземных волокон «Еко\уоо1». Эти материалы были отобраны для создания двух комплектов пакетов материалов ограждающей конструкции средства защиты.
На основе результатов проведенных экспериментов с различной толщиной 5 пакетов материалов комплектов № 1 и № 2 были получены уравнения регрессии температуры поверхности комплектов от их толщины. На основе построенной зависимости установлено, что температура на внутренней поверхности материалов достигнет 100 °С при толщине комплекта №15 = 20 мм, а комплекта Л*8 2 — при 6 = 22 мм.
Так как для обеспечения мобильности средство защиты должно обладать наименьшим объемом в транспортном положении, то для его создания более предпочтительно применение пакета материалов комплекта № 1.
Литература
1. Гутовский A.B. К вопросу создания мобильного средства защиты пожарных подразделений от тепловых воздействий при окружении верховым лесным пожаром / / Инновационные подходы к решению проблем «Сендайской рамочной программы по снижению риска бедствий на 2015-2030 годы»: сб. науч. тр. Казань: КНИТУ-КАИ, 2018. С. 34-38.
2. Соколянский В.В. Обоснование параметров средств тепловой защиты спасателей в кабине пожарного автомобиля: автореф. дне. ... канд. тех. наук: специальность 05.26.01 / Соколянский Владимир Владиславович. Донецк, 2016. 21 с.
3. ГОСТ 12.2.033-78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ стоя. Общие эргономические требования. М.: Госстандарт СССР, 1978. 9 с.
THE CHOICE OF MATERIAL FOR THE MEANS OF PROTECTION OF PEOPLE FROM THE THERMAL EFFECTS OF FOREST FIRE
Alexey GUTOVSKIY
Adjunct Chair of Operation of
Transport and Technological Machines and Complexes Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, Khimki md. Novogorsk.
E-mail: gutovskiy.alexeyQmail.ru Svetlana GARELINA
Ph. D Sc. (Technical), Assistant Professor Chair of
Operation of Mechanics and Engineering Graphics,
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia.
Address: 141435, Moscow region, Khimki
md. Novogorsk.
E-mail: s.garelinaQamchs.ru
Konstantin LATYSHENKO
D Sc. (Technical), Professor Chair of Operation of
Mechanics and Engineering Graphics,
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, Khimki
md. Novogorsk.
E-mail: kplatQmail.ru
Alexander MOROZOV
Ph. D Sc. (Physical and Mathematical), Research Fellow of Federal Research Center «Informatics and Management» of the Russian Academy of Sciences. Address: 119333, Moscow. Vavilova. 44. bldg. 2. Research Fellow of Moscow Aviation Institute (National Research University). Address: 125993, Moscow. Volokolamsk highway. 4. E-mail: morozovQinfway.ru
Abstract.The article deals with the influence of the composition of the package of materials on the amount of heat entering the interior of the means of protection against forest fire. Results of experimental researches on the basis of which compositions of packages of materials for creation of means of protection are chosen are resulted.
Keywords: experiment, temperature, means of protection, forest fire, package materials, fabric. Citation: Gutovskiy A.V., Latyshenko K.P., Garelina S.A., Morozov A.Yu. The choice of material for the means of protection of people from the thermal effects of forest fire // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. No. 4 (43). pp. 56-62.
References
1. Gutovsky A.V. To the question of creating a mobile means of protecting fire departments from thermal effects when surrounded by a horse forest fire / / Innovative approaches to solving the problems of the "Sendai Framework for Disaster Risk Reduction 2015-2030": Sat. scientific tr Kazan: KNITU-KAI, 2018. P. 34-38.
2. Sokolyansky V.V. Justification of the parameters of thermal protection equipment for rescuers in the cockpit of a fire truck: author, dis. ... cand. those. Sciences: specialty 05.26.01 / Sokolyanskiy Vladimir Vladislavovich. Donetsk, 2016. 21 p.
3. GOST 12.2.033-78 SSBT. The workplace when performing work while standing. General ergonomic requirements. M .: Gosstandart of the USSR, 1978. 9 p.
