CC BY
39
УДК 536.46+66.097.7+547.241
А.Г. Шмаков, О.П. Коробейничев, А.А. Чернов, В.М. Шварцберг, К.П. Куценогий, В.И. Макаров
Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск
ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ С ПОМОЩЬЮ АЭРОЗОЛЕЙ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ
A.G. Shmakov, O.P. Korobeinichev, A.A. Chernov, V.M. Shvartsberg, K.P. Koutsenogii, V.I. Makarov
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, Institutskaya str. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
EFFECTIVE TECHNOLOGY OF FIRES SUPPRESSION BY MEANS OF AEROSOLS OF SALTS SOLUTIONS
The problem of effective suppression of a flame at fires and emergencies is extremely actual as it is connected with a problem of a safety of human life activity in technosphere. Search for novel effective fire suppressants is the important task for fire fighting science. In this connection, the extinguishing of model fire source in field experiments by fine aerosol of flame suppressants was studied. The aqueous solutions of organic and inorganic salts of alkali metals were studied as flame inhibitors. In the first set of experiments it was shown that exposure of aerosol inhibitor cloud with particles size about 1 jim of ground forest fire resulted in its extinguishing. In the second set of experiments it was shown that exposure of aerosol cloud of flame inhibitor with average particle diameter of 15 jim on the model fire source of category «А» (burning wood) led to its extinguishment. Results of the experiments revealed an opportunity of suppression both flame and smoldering modes of combustion using aerosol technology. At this minimal mass flow rate of inhibitor solution it was found to be 30 times less than that of pure water.
Задача эффективного тушения очагов пламени при пожарах и аварийных ситуациях, является чрезвычайно актуальной, так как она связана с проблемой обеспечения безопасности жизнедеятельности в техносфере. Решение этой задачи включает не только выбор экологически безопасного и нетоксичного пламегасителя, но и эффективный и быстрый способ его доставки к очагу пожара. В мировой практике борьбы с пожарами сложились три основных принципа [1]: 1) изоляция очага горения от доступа воздуха. Этот принцип реализуется подачей в зону горения инертных (не поддерживающих процесс горения газов, воды, пены и др.) материалов; 2) охлаждение очага горения ниже определенной температуры. Этот принцип реализуется подачей в зону горения веществ способных отнять тепло за счет процесса испарения (вода, хладоны) или эндотермической реакции их разложения (аммоний фосфорнокислый, различные кристаллогидраты, например, К2СО3 1.5 Н2О); 3). Введение в очаг горения ингибиторов радикальных процессов окисления-восстановления. В качестве таковых могут выступать вещества, содержащие галогены, фосфор, некоторые соли калия и натрия. Для увеличения эффективности средств пожаротушения стремятся комбинировать реализацию всех трех принципов.
Металлсодержащие соединения (МСС) являются перспективными для использования в качестве пламегасителей. Результаты сравнительных испытаний различных ММС приводятся в работах [2, 3]. Наилучшим ингибиторами оказались соединения типа К3[Ре(СК)б] (красная кровяная соль) и К4[Бе(СК)б] (желтая кровяная соль).
В настоящее время известны различные методы тушения пожаров с помощью распыления воды [4-8]. К недостаткам этого метода следует отнести большой расход воды на единицу объема пожара. Известно, что эффективность использования водогазового облака для тушения пожара зависит от дисперсности водяных капель. В большинстве случаев спектр размеров водяных капель достаточно постоянен и широк, основное количество воды находится в каплях крупнее 100 мкм. Примеров использования для тушения пожаров аэрозолей растворов ингибиторов неизвестно.
Целью настоящей работы является демонстрация эффективности новых пламегасителей и способа их доставки к очагу пламени в виде мелкодисперсного аэрозоля путем проведения натурных испытаний по тушению пожаров различного типа в полевых условиях.
Полевые испытания по тушению различных видов пламени с помощью мобильного генератора аэрозолей регулируемой дисперсности (ГРД) проводились для двух вариантов очагов пожара: а) модельный очаг низового лесного пожара; б) модельный очаг пожара класса 0.5А (горящая древесина). Для каждого из вариантов было проведено по две серии экспериментов: 1) с использованием для гашения воды без добавок; 2) с использованием для гашения очага пожара водного раствора ингибитора Кз[Ге(СК)б].
Для полевых испытаний использовался аэрозольный генератор, установленный на шасси автомобиля ЗИЛ-131. Аэрозольный генератор включает в себя источник сжатого воздуха, емкости для топлива газотурбинного двигателя и водных растворов ингибиторов, систему подачи топлива и рабочих жидкостей. С целью регулирования дисперсности аэрозоля в широком диапазоне аэрозольный генератор снабжен пневматическим технологическим контуром, включающим источник сжатого воздуха, пневмодиспергатор со сменными воздушными и жидкостными соплами, систему измерения и регулирования расхода топлива и рабочих жидкостей. С целью облегчения конструкции в качестве единого источника сжатого воздуха использована вспомогательная силовая авиационная установка ТА-6А.
Параметры генератора: Рабочее тело - воздух в смеси с водой или раствором, скорость струи у сопла - 330 м/с, скорость струи на расстоянии 6 м от сопла - до 20 м/с, диаметр струи на расстоянии 6 метров от сопла - около 1,2 м, объемный расход воздуха - 0.8 кг/с, расход раствора или воды - 20 л/мин, медианномассовый диаметр аэрозолей - 20 мкм [9].
Модельный очаг низового лесного пожара представлял собой горизонтальный травянистый участок размером 3x4 метра, отделенный от окружающей территории противопожарной полосой шириной 1 м. Масса горючих материалов (сухая трава, мелкие ветки деревьев с диаметром до 2 см) составляла 2 кг/м2, их влажность соответствовала естественным условиям.
Скорость ветра составляла 0-2 м/с, температура воздуха +14 оС. Испытания проводились 5 октября 2005 года в районе Новосибирска, испытаниям предшествовала сухая ясная погода в течение 1 недели. Зажигание проводилось с помощью газовой горелки с наветренной стороны участка. Горизонтальная скорость распространения пламени составляла 20-25 см/мин.
Модельный очаг пожара класса 0.5А соответствовал ГОСТ 27586-88. Он представлял собой деревянный штабель кубической формы, состоящий из 45 брусков квадратного сечения 40 х 40 мм и длинной 40 см. Бруски в штабеле расположены так, что в каждом их слое расстояние между брусками составляет 40 мм, бруски следующего слоя расположены перпендикулярно предыдущему. Материал брусков - древесина хвойных пород, влажность 12-14 %. Для зажигания очага использовался металлический поддон, размещенный под штабелем, в который было залито 3 литра воды и 0,6 литра автомобильного бензина. Тушение очага производилось через 7 минут после поджигания бензина в поддоне, поддон во время тушения не убирался, очаг равномерно поворачивали вокруг его вертикальной оси со скоростью 10 об/мин. Испытания проводились на открытом месте при скорости ветра 0-3 м/с и температуре воздуха +18 оС. Расстояние между ГРД и очагом составляло 6 метров, диаметр струи не менее 1,2 метра. Испытание считается успешным, если при гашении не менее чем в двух из трех испытаний за время не более 180 с в течении 10 мин не происходит повторное возгорание очага.
Для определения характеристик аэрозольного облака в момент тушения низового лесного пожара в режиме реального времени происходили измерения и следующих параметров: а) измерение размера аэрозольных частиц и их массовой концентрации с помощью нефелометра [10]; б) измерение температуры пламени с помощью цифрового тепловизора; в) цифровая видеосъемка для получения с помощью цифровой стереофотограмметрии и ГИС-технологий ЭЭ-метрических компьютерных моделей пространственно-временной изменчивости формы аэрозольного облака и пламени наземного лесного пожара.
Гашение модельного очага низового лесного пожара. В экспериментах первой серии на пламя модельного лесного пожара воздействовали аэрозольным облаком, создаваемым аэрозольным генератором регулируемой дисперсности (ГРД), не содержащим ингибитор пламени. После воздействия аэрозольного облака пламя модельного наземного лесного пожара продолжало распространяться без каких-либо видимых изменений.
Во второй серии экспериментов на пламя модельного наземного лесного пожара воздействовали облаком ГРД на том же режиме, но аэрозольные частицы содержали выбранный ингибитор. По результатам измерения массовой концентрации ингибитора в зоне пламени, она была близкой к данным лабораторных экспериментов. Во второй серии, в момент прохождения аэрозольного облака через зону пламени, оно исчезало. Одновременно, по показаниям тепловизора, температура пламени падала с 1 000 °С до 500 °С. Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили результаты
лабораторных экспериментов [2] по тушению пламени аэрозолями субмикронного размера, содержащими соли щелочных металлов.
Тушение модельного очага пожара класса 0.5А. На пламя модельного очага пожара класса 0.5А воздействовали потоком воздуха, содержащем аэрозоль воды или 30 %-го водного раствора К3[Ге(СК)6] (красная кровяная соль). Согласно нормативным техническим требованиям, расход чистой воды при тушении древесины влажностью 8-14 % обычным способом (из брандспойта)
Л
должен составлять 450 мл/(м сек) при времени тушения 180 секунд. Общая площадь горения для данного модельного очага пожара благодаря его развитой поверхности составляет 2.37 м2. Таким образом, по оценкам, суммарный расход воды составит 192 литра.
Эксперименты с чистой водой показали невозможность тушения модельного очага пожара с помощью ГРД за время менее 170 с при удельном
Л
расходе жидкости 140 мл/(м с). Установлено, что для тушения пожара при таком расходе необходимо воздействие на него водяного аэрозоля в течение более чем 280 с. При этом суммарный расход составил 93 литра чистой воды. Степень выгорания горючего материала в этом случае составляет не менее 80 %. Исходя из технических характеристик ГРД была оценена площадь сечения струи тушащего вещества 1.13 м на расстоянии 6 метров от сопла. Очевидно, что в пламя попадает только некоторая часть раствора ингибитора, соответствующая
Л
отношению площадей поперечного сечения модельного очага (0.144 м ) и струи
Л
ГРД (1.13 м ). Коэффициент эффективности использования жидкости для тушения в проведенных экспериментах составлял 0.127. Тем не менее, данные эксперименты подтвердили теоретическую возможность тушения пожаров с помощью взвеси водяных капель, причем суммарный расход воды меньше нормативного в 192/(0.127*93) = 16 раз.
Испытания с раствором соли показали намного большую эффективность по сравнению с использованием чистой воды. Время тушения составляло от 150 до 158 с, повторного возгорания в течение 10 мин не наблюдалось. Удельный расход раствора К3[Ре(СК)6] за среднее время тушения составляет 140
Л
мл/(м сек), что при среднем времени тушения 154 секунды соответствует общему расходу раствора 51 литр. Визуальное исследование горючего материала после тушения показали следующее: все остатки материала покрыты солью, в середине наблюдается большее выгорание, чем с внешней стороны, степень выгорания деревянных брусков составляет примерно 50 %. Таким образом, применение раствора способствует уменьшению удельного расхода тушащей жидкости примерно в 192/(0.127*51) = 30 раза. При этом видимое пламя исчезает уже на 73 ±5 секунде с начала тушения. Таким образом, результаты испытаний показали возможность использования ГРД для тушения модельных очагов пожара класса 0.5 А.
Выводы. В результате проведенных лабораторных исследований найдены калийсодержащие соединения, аэрозоли водных растворов которых являются эффективными пламегасители. На основании полученных данных были подготовлены и проведены полевые эксперименты по гашению модельных очагов низового лесного пожара и пожара класса 0.5А (горящая древесина) с
помощью мобильного генератора регулируемой дисперсности. Результаты проведенных экспериментов подтвердили, что с помощью данного метода и найденных пламегасителей можно подавить как пламенное, так и тлеющее горение. Предлагаемый способ тушения с помощью мелкодисперсных аэрозолей в 30 раз позволяет сократить расход тушащей жидкости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баратов А.Н. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. /А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. - М.: Химия. - 1979. - 368 с.
2. Исследование фосфорорганических, фторорганических, металлсодержащих соединений и твердотопливных газогенераторных составов с добавками фосфорсодержащих соединений в качестве эффективных пламегасителей / Коробейничев О.П. и др. // Физика горения и взрыва. - Т. 42. - 2006. - № 6. - С. 64-73.
3. Experimental and numerical evaluation of metallic compounds for suppressing cup-burner flames / Linteris G.T., Katta V.R., Takahashi F. // Combust. Flame. Vol. 138. - 2004. - P. 78-96.
4. О способе получения дисперированной жидкости с газом при помощи поршневой машины и его возможных применениях / Ю.В. Алеханов и др. // III Научно-техническая конференция «Научно-инновационное сотрудничество»: сборник научных трудов. Часть 1. -М. - 2004. - С. 169-170.
5. Корольченко А.Я. Технология импульсного водяного пожаротушения IFEX 3000 // Пожаровзрывоопасность. - 2000. - № 2. - С. 3-5.
6. Взаимодействие диспергированной воды с пламенем. / Ю.В. Алеханов и др. // Письма в ЖТФ. - Т. 29. - 2003. - № 6. - С. 1-6.
7. Пожарные машины газоводяного тушения (АГВТ) // Пожарная техника. - М.: Стройиздат, 1988. - Ч. 2. - С. 100-105.
8. Куценогий К.П. О возможности использования водяного аэрозоля для борьбы с лесными пожарами // Вопросы лесной пирологии / Под ред. Н.П. Курбатского. - Красноярск, 1970: Институт леса и древесины им. В.Н. Сукачева. - С. 340-353.
9. Сахаров В.М. Конструктивные и режимные характеристики аэрозольного генератора с регулируемой дисперсностью // Оптимизация технологии применения инсектицидных аэрозолей: сб. науч. тр. - Новосибирск: СО ВАСХНИЛ, 1983. - С. 3-13.
10. Автоматизация нефелометрических измерений массовой концентрации субмикронных атмосферных аэрозолей / Бизин М.А. и др. // Оптика атмосферы и океана. - Т. 29. - 2007. - № 3. - С. 291-296.
© А.Г. Шмаков, О.П. Коробейничев, А.А. Чернов, В.М. Шварцберг, К.П. Куценогий, В.И. Макаров, 2009
