CC BY
12Пряничников А. В., Роенко В. В., Бондарев Е. Б.
ТУШЕНИЕ ПРОЛИВОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ МЕТАСТАБИЛЬНЫМИ ПАРОКАПЕЛЬНЫМИ СТРУЯМИ ВОДЫ
В статье рассмотрены способы использования взрывного вскипания воды в различных типах насадков-распылителей для получения метаста-бильных парокапельных струй воды с размером капель от 0,01 до 10 мкм и использования этих струй для тушения проливов нефти и нефтепродуктов.
Ключевые слова: недогретая вода, насадок-распылитель, взрывное вскипание, метастабиль-ное состояние, парокапельная струя, пролив нефти и нефтепродуктов, тушение.
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ ПАРОКАПЕЛЬНЫХ СТРУЙ ВОДЫ
Под термином «метастабильное состояние» в термодинамике подразумевается состояние неустойчивого равновесия физической макроскопической системы, в котором она может находиться длительное время. К такой макроскопиче-
ской системе может быть отнесена паро-капельная струя, полученная в результате взрывного вскипания воды. При подаче в насадок-распылитель воды с температурой не менее 165 °С и давлением не менее 1,6 МПа (далее недогретой воды) образуется метастабильная парокапель-ная струя воды, способная эффективно тушить проливы нефти и нефтепродуктов (рис. 1) [1-4].
Исследования, проведённые учёными Академии ГПС МЧС России, доказали, что улучшение огнетушащих свойств воды за счёт её взрывного вскипания объясняется следующими причинами: при температурной активации воды (её нагреве без вскипания до температуры более 165 °С) существенно улучшается её текучесть (коэффициент динамической вязкости уменьшается в 10-15 раз); в метастабильной
Рисунок 1. Конструкция насадков-распылителей и формы струи ВМС: а) а1 - угол расточки канала (а1 > 150°), ( - диаметр канала; б) а1 - угол расточки суживающейся части, а2 - угол расширяющейся части, с(0 - диаметр сопла; в) а1 - угол расточки суживающейся части, а2 - угол расширяющейся части, с(0 - диаметр критического сечения сопла, ( - диаметр цилиндрического участка канала
парокапельной струе нет кислорода воздуха; после взрывного вскипания на выходе из насадка-распылителя до 30 % от массы недогретой воды перед стволом-распылителем переходит в недогретый пар, а оставшаяся масса воды образует витающие в недогретом паре капли воды с размером от 0,01 до 10 мкм; капли воды имеют бимодальное распределение по размеру; смесь капель воды и пара находится в ме-тастабильном состоянии [1-4]. После такого процесса вода приобретает уникальные свойства не только за счёт получения капель микронного размера, но и за счёт изменения своей структуры. В природе аналогичными свойствами обладает вода в поровых породах при высоких температурах и давлениях [3]. Вода в метаста-бильном состоянии (далее ВМС) не только эффективно тушит пожар, но и резко снижает температуру пламени и осаждает дым.
При тушении пожаров ВМС насадки-распылители представляют собой шайбу с острой кромкой (ствол-трансформер, рис. 1а), сопло Лаваля (ствол-пика, рис. 1б) или сопло Лаваля с цилиндрической частью (ствол дальнобойный, рис. 1в) [4]. Отличие струй ВМС при подаче недо-гретой воды через различные насадки-распылители заключается в форме образования и дальности подачи.
Использование взрывного вскипания недогретой воды, поданной через насадки-распылители, позволяет добиться уменьшения размера капель воды от 0,01 до 10 мкм не увеличивая давление перед пожарным стволом более 12-16 атм (рис. 2). Важно, что диаметр проточных частей насадков-распылителей составляет от 3 до 7 мм.
Дисперсность струй ВМС определялась на установке для измерения дисперсионного состава воздушно-капельной смеси по рассеянию монохроматического излучения в Объединенном институте высоких температур РАН [5]. Результаты опытов показали, что распределение капель по размерам носит явно выраженный бимодальный характер, полученные данные представлены на рисунке 3 и в таблице.
Анализ полученных в ходе испытаний данных показывает, что применение ВМС является универсальным и перспективным способом и, в отличие от тонкораспылённой воды, позволит с большей эффективностью тушить пожары.
Струи ВМС могут быть использованы для тушения практически всех видов горючих веществ, не вступающих в химическую реакцию с водой с выделением большого количества тепла или горючих газов, бензинов, нефтепродуктов, спиртов, ацетона, других углеводородов и водорастворимых
Капли обычного спринклера ^ 1000 мкм
1,9 • 106
0,6 М2
Водяной туман низкого давления 100 мкм ^
1,9 • 109 Й
60 м2
Тонкораспыленная вода
X 50-100 МКМ 1,9 • 1012 - 1,9 • 109 600-60 М2
Метастабильная вода
Г_
0,01-10 МКМ ^ 1,9 • 1018 - 1,9 • 1015 60 000-6 000 М2
Рисунок 2. Сравнение размеров капель мелкодисперсной воды: 4. - размер капель; количество капель в 1 кг воды; ¿Е - суммарная площадь поверхности капель
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
1Ш п
лиши
0
1
Радиус частиц, мкм
а)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
100 90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -
0
...............
Радиус частиц, мкм б)
|| 1 1 1 ■■■II
0
0,1
10
Радиус частиц, мкм
в)
Рисунок 3. Распределение массовой доли капель по размерам: а) сопло Лаваля при Тв = 200 °С; б) сопло Лаваля с цилиндрической частью при Тв = 200 °С; в) шайба с острой кромкой при Т = 200 °С
0,1
10
0,1
1
10
Параметры парокапельных струй при температуре 200 ° с и давлении 1,02 МПа недогретой воды перед насадком-распылителем
Тип насадка-распылителя Содержание пара, % Радиус частиц / среднее, мкм Количество капель, ед. Суммарная площадь капель, м2
Сопло Лаваля
Первая мода 19 0,01-0,4 / 0,07 5,4831 • 1017 33 762,8
Вторая мода 1-10/6 2,4536-1010 11,1
Сопло Лаваля с цилиндрической частью
Первая мода 19 0,01-0,7 / 0,07 1,9922 1016 7 235,2
Вторая мода 1-10/7 2,784-10" 171,4
Шайба с острой кромкой
Первая мода 19 0,01-0,7 / 0,17 2,5267-1016 9 176,4
Вторая мода 1-10/7 2,0184-10" 124,2
жидкостей, а также твёрдых материалов (древесина, резина, поливинилхлорид, полистирол).
Наиболее эффективно струи воды в метастабильном состоянии тушат пожары в замкнутых пространствах, так как об-
разующийся большой объём парокапель-ной структуры резко снижает температуру в зоне горения, осаждает дым и пары ядовитых веществ, а также вытесняет воздух и, тем самым, уменьшает процентное содержание кислорода.
ТУШЕНИЕ ПРОЛИВОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Способы тушения проливов нефти и нефтепродуктов классифицируются по виду вещества, применяемого для тушения, по методу подачи; способы могут быть поверхностными или объёмными. Поверхностное тушение представляет собой подачу огнетушащих составов непосредственно на очаг пожара, а объёмное сводится к созданию специальной негорючей среды в районе пожара [6].
При реализации поверхностного способа тушения пожаров при проливах нефти и нефтепродуктов применяется не только вода или водные растворы, но и пена средней и низкой кратности. Объёмный способ подразумевает использование, в основном, газовых огнетушащих составов. В качестве огнетушащего и одновременно охлаждающего вещества в установках газового пожаротушения наиболее целесообразно применение сжиженной двуокиси углерода как высокого, так и низкого давления.
Тушение пожаров инертными газами (углекислый газ, азот, аргон, гелий) применяют только в закрытых помещениях нефтебаз, насосных станций и т. д. Они обладают способностью быстро смешиваться с горючими парами и газами, понижая при этом концентрацию кислорода в зоне горения до предела, при котором горение прекращается [6].
Порошковые составы обладают очень высокой огнетушащей способностью и универсальностью действия и способны тушить любые материалы. Ряд исследователей утверждает, что охлаждение зоны горения порошками происходит из-за расхода теплоты на нагревание и разложение частиц порошков, но к отрицательным свойствам порошка можно отнести то, что при длительном хранении они могут слёживаться [7].
Перспективным и эффективным видом пожаротушения является использование тонкораспылённого водного состава или тонкораспылённой воды (ТРВ) с диа-
метром капель от 50 до 100 мкм. Данный способ применим для тушения пожаров классов А (твёрдых горючих материалов), В (горючих жидкостей) и С (горючих газов). ТРВ эффективно тушит загорания водоне-растворимых нефтепродуктов с температурой кипения ниже 100 °С. Используется для пожаротушения в помещениях по всей расчётной площади, если их негерметичность не превышает 3 %. В ряде случаев возможно применение объёмного способа.
Одним из направлений, обеспечивающих пожарную безопасность при проливах нефти и нефтепродуктов, является установка противопожарной автоматики - спринклерных и дренчерных установок [8-10].
Значения средних диаметров капель при различных типах пожаротушения:
- традиционное водяное пожаротушение (спринклерное или дренчерное) -порядка 1 мм (1 000 мкм);
- установки пожаротушения ТРВ низкого давления - порядка 0,1-0,15 мм (100-150 мкм);
- установки пожаротушения ТРВ высокого давления - порядка 0,05 мм (50 мкм).
Создаваемый с помощью распылителей специальной конструкции водяной туман, обладая высокой теплоёмкостью и большой суммарной активной площадью поверхностей капель, резко снижает температуру в зоне пожара, прекращая химическую реакцию горения.
При испытаниях по тушению модельных очагов пожара класса «55В» в исполнении II (110 дм3 воды и 55 дм3 горючей жидкости, С противня = 1500 мм) оценивалась огнетушащая способность струй ВМС, созданных насадками-распылителями, при тушении розлива дизельного топлива. Тушение модельного очага «55В» проходило при температуре недогретой воды от 170 до 200 °С. Полученные в результате испытаний данные позволяют утверждать, что огнетушащая способность струй ВМС напрямую зависит от температуры недогретой воды, это можно проследить на рисунке 4.
3028262422 20 1816141210-
^— А
1 ■ к
1* —__ 1
< — < ►
г 1-
<
165
170
175 180 185 Температура, °С
190
195
200
Рисунок 4. Влияние температуры недогретой воды на огнетушащую способность ВМС при тушении модельных очагов насадком-распылителем:
♦ - сопло Лаваля; ■ - шайба с острой кромкой; А - сопло Лаваля с цилиндрической частью
Следует отметить, что в отличие от ТРВ внутри струи ВМС нет воздуха, а следовательно, и кислорода. Так как капли воды и пар не осаждаются, а витают в окружающем воздухе, то при подаче струи ВМС в инжектируемый очагом пожара воздух в зону горения попадает не
воздух, а струя ВМС - пожар сам «всасывает» в зону горения своего «уничтожителя». Это, например, позволило обеспечить тушение нестабильного газового конденсата площадью 85 м2 на испытаниях огне-тушащей способности ВМС. При этом расход недогретой воды каждого ствола составлял не более 0,5 кг/с, время тушения - 97 секунд, на тушение израсходовано не более 100 литров воды. При пожаротушении струями ВМС нет необходимости подавать огнетушащее вещество против пламени - достаточно найти струю воздуха, инжектируемую в зону горения.
Проведённые опыты подтвердили тот факт, что истечение перегретой воды в атмосферу приводит к образованию па-рокапельной струи воды, в которой содержание пара не будет превышать 19 % при температуре недогретой воды 200 °С. В отличие от тонкораспылённой воды, тушение проливов нефти и нефтепродуктов водой в метастабильном состоянии будет эффективным как при поверхностном, так и при объёмном способе тушения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Роенко В. В. Использование перегретой воды для тушения пожаров // Мир и безопасность. -2004. - № 6. - С. 34-37.
2. Роенко В. В. Уникальные свойства темпе-ратурно-активированной воды // Пожарное дело. -
2009. - № 4. - С. 20-22.
3. Летников Ф, Кащеева Т., Минцис А. Активированная вода. - Новосибирск: Наука, 1976. - 136 с.
4. Храмцов С. П., Пряничников А. В., Никишин П. В., Кармес А. П. Разработка стволов подачи температурно-активированной воды для тушения пожаров с нулевой отдачей и полным раскрытием струи при использовании автомобиля пожарного многоцелевого // Пожаровзрывобезопасность. -
2010. - № 11. - С. 44-48.
5. Алексеев В. Б., Залкинд В. И., Зейгар-ник Ю. А, Мариничев Д. В., Низовский В. Л., Ни-зовский Л. В. Определение дисперсионных характеристик распыления перегретой воды // Тепло-
физика высоких температур. - 2014. - Т. 52. -№ 2. - С. 1-7.
6. Баратов А. Н., Иванов Е. Н. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Хи-мия,1979. - 386 с.
7. Абдурагимов И. М, Говоров В. Ю., Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980. - 223 с.
8. Теребнёв В. В., Подгрушный А. В. Пожарная тактика. Основы тушения пожаров. - М.: Калан, 2008. - 512 с.
9. Цариченко С. Г. Состояние вопроса использования тонкораспылённой воды при тушении пожаров // Алгоритм безопасности. - 2005. -№ 2. - С. 14-16.
10. Собурь С. В. Установки пожаротушения автоматические. - М.: Пожкнига, 2012. - 336 с.
Pryanichnikov A., Roenko V., Bondarev E.
EXTINGUISHING SPILLS OF OIL AND OIL PRODUCTS WITH METASTABLE WATER FOG
ABSTRACT
Purpose. The article considers the problem of improving fire extinguishing properties of water due to its temperature activating and discharging water fog with droplet size ranging from 0,01 jum to 10 jum from spray nozzles.
Methods. The article delivers the analysis of data obtained as a result of experiments conducted to determine fire extinguishing properties of water in a metastable state.
Findings. Upon applying explosive boiling of superheated metastable liquid temperature activated water spray in a metastable state occurs, the structure of such water has bimodal distribution of drops with a radius not more than 10jum.
Research application field. The obtained results are recommended for substantiating the means of fire extinguishment of oil and oil spills.
Conclusions. Water in a metastable state can be used for extinguishing almost all types of combustible agents which do not react with water releasing large quantities of heat or flammable gases
Key words: underheated water, spray nozzles, explosive boiling, metastable state, water fog, spilling of oil and oil products, fire extinguishment
REFERENCES
1. Roenko V.V. Use of superheated water to extinguish fires. Mir i bezopasnost', 2004, no. 6, pp. 34-37. (in Russ.).
2. Roenko V.V. Unique properties of temperature-activated water. Pozharnoe delo, 2009, no. 4, pp. 20-22. (in Russ.).
3. Letnikov F., Kashcheeva T., Mintsis A. Aktivirovannaia voda [Activated water]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1976. 136 p.
4. Khramtsov S.P., Prianichnikov A.V., Nikishin P.V., Karmes A.P. Developing trunks feed temperature-activated water to extinguish fires with zero returns and full disclosure of the jet when using the car multipurpose fire. Pozharovzryvobezopasnost', 2010, no. 11, pp. 44-48. (in Russ.).
5. Alekseev V.B., Zalkind V.I., Zeigarnik Yu.A., Marinichev D.V., Nizovskii V.L., Nizovskii L.V. Determination of dispersion characteristics of spray of superheated water. Teplofizika vysokikh temperatur, 2014, vol. 52, no. 2, pp. 1-7. (in Russ.).
6. Baratov A.N., Ivanov E.N. Pozharotushenie na predpriiatiiakh khimicheskoi i neftepererabatyvaiushchei
promyshlennosti [Firefighting in the chemical and refining industries]. Moscow, Khimiia Publ., 1979. 386 p.
7. Abduragimov I.M., Govorov V.Yu., Makarov V.E. Fiziko-khimicheskie osnovy razvitiia i tusheniia pozharov [Physico-chemical basis of development and fighting fires]. Moscow, VIPTSh MVD SSSR Publ., 1980. 223 p.
8. Terebnev V.V., Podgrushnyi A.V. Pozharnaia taktika. Osnovy tusheniia pozharov [Fire tactics. The basics of fighting fires]. Moscow, Kalan Publ., 2008. 512 p.
9. Tsarichenko S.G. Current state of water mist fire suppression. Algoritm bezopasnosti, 2005, no. 2, pp. 14-16. (in Russ.).
10. Sobur S.V. Ustanovki pozharotusheniia avtomaticheskie [Fire-fighting Installations automatic]. Moscow, Pozhkniga Publ., 2012. 336 p.
AlEKSANDER PRYANiCHNiKOV VLADiMiR Roenko EvGENi Bondarev
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
