Взаимодействие пламени горючей жидкости с тонкораспыленной водой Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

А. Л. Душкин

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра новых технологий МАИ, г. Москва, Россия

С. Е. Ловчинский

инженер Научно-исследовательского центра новых технологий МАИ, г. Москва, Россия

УДК 614.841

ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ПЛАМЕНИ ГОРЮЧЕЙ ЖИДКОСТИ С ТОНКОРАСПЫЛЕННОЙ ВОДОЙ

Освещены результаты экспериментальных исследований по подавлению очага пламени горючей жидкости тонкораспыленной водой. Показано, что при ее применении реализуются два механизма тушения пламени горючей жидкости: уменьшение концентрации кислорода за счет замещения его паром и охлаждение при испарении капель в нем.

Ключевые слова: тонкораспыленная вода; тушение; горючие жидкости; концентрация; интенсивность подачи.

В настоящее время эффективность применения тонкораспыленной воды (ТРВ) как огнетуша-щего вещества показана на многочисленных примерах успешного пожаротушения. Однако отсутствие нормативных требований по параметрам установок пожаротушения, таким как необходимая интенсивность подачи д (л/(м2-с)), время тушения т (с), диаметр капель й (мкм), затрудняет проектирование и использование таких средств пожаротушения. Особенно остро эта проблема стоит при тушении очагов возгорания в замкнутых пространствах при нахождении в них людей. На борту летательного аппарата, с которого эвакуация людей невозможна, подавление очагов пожара может производиться только с применением безопасной и экологически чистой технологии. По этой причине необходимо знать закономерности взаимодействия тонкораспыленной воды с очагом горения с целью определения времени его подавления или локализации т и зависящего от него необходимого запаса воды (раствора) на борту при требуемом расходе q на единицу площади. Минимизация необходимого запаса воды для нужд пожаротушения — важнейшая задача, решение которой позволит повысить эффективность противопожарных систем на транспортных средствах.

Если тушение очагов возгорания твердых горючих материалов не вызывает сомнения у специалистов, то тушение легковоспламеняющихся жидкостей (бензин, керосин, масло и т. п.) неочевидно для большинства работников пожарной охраны. А участившиеся за последнее время террористические акты заставляют обратить особое внимание на проблемы подавления очагов горючих жидкостей в салонах и отсеках самолетов.

© Душкин А. Л., Ловчинский С. Е., 2011

Теоретическое изучение взаимодействия тонкораспыленной воды с горящей жидкостью затруднено из-за недостаточности данных о физико-химических процессах, характерных для горения в условиях охлаждения поверхности горения и столба горючих газов мелкими каплями тонкораспыленной воды в условиях турбулентного перемешивания.

Экспериментальное изучение данного взаимодействия дает возможность определить наиболее приближенные к реальным условиям пожара параметры (^, т, ¿), с тем чтобы определить необходимые характеристики противопожарных установок. Известные экспериментальные исследования технологии тушения тонкораспыленной водой [1, 2] не позволяют выявить необходимые параметры ее подачи на очаги возгорания для условий замкнутого пространства, а результаты экспериментальных испытаний различных фирм за рубежом неизвестны широкому кругу специалистов и носят локальный характер.

Экспериментальные исследования проводили в замкнутом объеме (кубе) размером 0,9x0,9x0,9 м, из листовой нержавеющей стали с наружной теплоизоляцией, внутри которого была установлена цилиндрическая кювета диаметром 100 мм и высотой 20 мм для горючей жидкости и штатив для крепления форсунки. Пространство внутри куба сообщалось с атмосферой через отверстие диметром 20 мм, так что степень негерметичности не превышала 1,3-10" 4. Взаимное расположение цилиндрической кюветы 1 и форсунки 2 представлено на рис. 1.

Наблюдение за процессом взаимодействия осуществлялось через два кварцевых окна диаметром 150 мм.

R

Рис.1. Взаимное расположение кюветы (/) и форсунки (2)

Форсунка была выполнена по двухконтурной схеме с двумя соосными центробежными шнековы-ми завихрителями. Внешняя ступень служила для подачи воздуха, внутренняя — воды под давлением. Такая форсунка генерировала капли диаметром d в широком диапазоне — от 6 до 180 мкм в зависимости от давления подачи, соотношения расходов фаз и выбора контура для работы. Диаметр капель определяли на отдельном стенде, описанном в работе [1], с помощью оптического дифракционного прибора "Malvern Spraytec System". В эксперименте был принят среднеарифметический диаметр d = D^0]. Распределение размеров капель по пространству распыления при осевом расстоянии Н = 200 мм представлено на рис. 2. При работе только жидкостной ступени форсунки давление подачи АР составляло 3...6 МПа, а при работе ее в газожидкостном режиме — 0,3.1,5 МПа.

В качестве горючей жидкости использовался гептан. Мощность тепловыделения в огневых экспериментах составляла ~25 кВт.

В экспериментах изучали два типа пожаротушения — объемное, характерное для газового пожаротушения, и объемно-поверхностное. Объемное пожаротушение предусматривает заполнение всего защищаемого объема мелкими каплями воды d <100 мкм, а объемно-поверхностное осуществляется путем подачи капельного потока воды на очаг горения, в данном случае на кювету с гептаном. В нашем случае

Рис. 2. Распределение диаметра капель по радиусу в пространстве распыления: 1 — газожидкостное; 2 — жидкостное, АР = 6 МПа; 3 — жидкостное, АР = 3 МПа

объемное пожаротушение моделировали путем установки среза форсунки ниже поверхности кюветы (Н < 0), на радиальном расстоянии более 20 мм (Я > 20 мм).

Эксперименты проводили по следующей методике.

Вначале через верхний люк в нержавеющем кубе устанавливали штатив с форсункой 2 в заданной точке пространства (Я, Н). Затем в кювету заливали гептан, который поджигали от внешнего источника, при этом отмечали время начала горения. Люк герметично закрывали. По истечении 2 мин свободного горения гептана регистрировали температуру внутри куба тремя термодатчиками и подавали воду на форсунку. Тушение пламени гептана определяли визуально через кварцевые окна и фиксировали время гашения. На последнем этапе открывали люк и вторично поджигали несгоревший гептан от внешнего источника с целью определения его наличия в кювете без разбавления водой. При горении гептана в течение 2 мин температура внутри куба поднималась до 70...80 °С в верхней части куба и до 50.60 °С — в нижней. При испытании по способу объемного тушения для наблюдения за пламенем в кювете 1 дополнительно использовали тепловизор фирмы "ТИегшаСЛМ 860". Результаты эксперимента по объемному тушению, когда форсунка 2 располагалась ниже поверхности горящего гептана в кювете 1, представлены на рис. 3.

Из представленной зависимости видно, что необходимая для тушения концентрация капель М резко возрастала с увеличением их диаметра. Для капель диаметром 6.8 мкм требуемая концентрация лежала в диапазоне 0,2.0,4 кг/м3. При этом концентрацию определяли, как и для огнетушащих газов, по выражению

М = Ох/У, (1)

где О — расход жидкости, кг/с;

У — защищаемый объем, м3;

х — время тушения, с.

Осаждение капель за время воздействия на ограждающие стенки куба не учитывалось. Рассчитанные значения требуемой минимальной концентрации

М, кг/м3 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

0 10 20 30 40 й, мкм

Рис. 3. Требуемая концентрация капель Мпри объемном тушении гептана

54

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2011 ТОМ 20 №11

мелких капель соответствовали значениям для водяного пара (0,3 кг/м3) и фреонов (0,3...0,52 кг/м3) и были меньше, чем для углекислого газа СО2 (0,7 кг/м3). Полученная зависимость справедлива для тушения чисто жидкостным капельным потоком, который генерировался без использования воздуха для дробления жидкости. При применении газового дробления в газожидкостной форсунке необходимая концентрация капель возрастала почти в два раза при том же размере капель даже при соотношении расходов газа и жидкости, не превышающем 15 %. Это объясняется подачей кислорода воздуха в защищаемый объем газожидкостной форсункой. Во всех экспериментах после подавления горения температура в экспериментальной камере не превышала 25 °С, а время тушения — 3 мин.

Эксперименты по тушению пламени гептана непосредственной подачей ТРВ на поверхность горения (Н» 0) и восходящий поток горячих газов проводили по следующей методике. Сначала перед заливом гептана в кювету 1 в намеченных точках пространства распыления (Н, К) определяли интенсивность подачи ТРВ д путем запуска форсунки на определенное время (10 с). Интенсивность подачи д рассчитывали по формуле

д = ш/{гБ), (2)

где I — время подачи ТРВ, с;

т — масса жидкости, г;

S — площадь кюветы, м2.

Огневые эксперименты проводили, как и ранее, только с открытым люком, степень негерметичности при этом составляла ~12 %. Результаты экспериментов по объемно-поверхностной технологии тушения представлены на рис. 4.

Крупные капли диметром более 60 мкм были получены при использовании внешнего контура форсунки без добавления газа на дробление. Как и в случае объемного тушения, с увеличением среднего размеракапель йнеобходимая интенсивность подачи возрастала. Особо следует отметить, что время тушения по данной технологии не превышало 10.12с.

Я, г/(м3-с) 70 60 50 40 30 20 10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 А мкм

Рис. 4. Требуемая интенсивность подачи при объемно-поверхностном тушении гептана

В общем случае интенсивность подачи д и средний размер капель не определяют способности распыленной струи тушить данный очаг возгорания в основном из-за взаимодействия капель воды с восходящим от очага потоком газообразных продуктов горения. Поток восходящих горячих газов может оттеснить мелкие капли от очага, если скорость последних невысока по сравнению со скоростью продуктов горения.

Представленные экспериментальные зависимости получены при начальных скоростях истечения из насадка Ж0 = 83.105 м/с, что соответствует перепаду давления для гидравлического распыления АР = 3,5.6,0 МПа. Такие скорости значительно выше скорости отходящих от очага газов (~ 10 м/с).

Дальнейшие исследования позволят более детально выявить требования к струе тонкораспыленной воды, необходимые для тушения очагов горения горючих жидкостей. Особенно это важно при объемно-поверхностном способе тушения, при котором осуществляется непосредственное взаимодействие потоков тонкораспыленной воды и пламени.

В результате исследований определены условия успешного подавления горения высокоэнергетических горючих жидкостей типа гептан (бензин, керосин, масла и т. п.) струей тонкораспыленной воды как для объемного способа тушения, так и для объемно-поверхностного. Для конкретных условий и помещений параметры огнетушащих установок могут уточняться на базе полученных зависимостей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карпышев А. В., Душкин А. Л., Рязанцев Н. Н. и др. Разработка высокоэффективного универсального огнетушителя на основе генерации струй тонкораспыленных огнетушащих веществ // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 2. — С. 69-73.

2. Гаев Д. В., ЕршовА. В., Прохоров В. П., Карпышев А. В., ДушкинА. Л. и др. Система противопожарной защиты салона вагона метрополитена на базе высоких технологий // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2009. — №3. — С. 67-72.

Материал поступил в редакцию 27 сентября 2011 г.

Электронный адрес авторов: Lovchinskiy@inbox.ru.