Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 13
1.1 Использование процессов горения и огнетушащих аэрозолей в пожаротушении 13
1.2 Пиротехнические аэрозолеобразующие огнетушащие составы (АОС) 22
1.3 Генераторы огнетушащего аэрозоля (ГОА) 34
1.4 Выводы и постановка задач диссертационной работы 47
2 Методики, приборы и оборудование, используемые при проведении исследований 50
2.1 Методика определения скорости, температуры горения и газопроизводительности АОС 50
2.2 Методика определения огнетушащей способности 52
2.3 Методика определения размера частиц аэрозоля 54
2.4 Методика определения химического состава продуктов горения АОС 54
3 Разработка рецептуры АОС, генерирующего хлориды щелочных металлов 55
3.1 Выбор компонентов аэрозолеобразующего огнетушащего состава 55
3.2 Характеристика исходного сырья и материалов, используемых при разработке рецептур АОС 59
3.3 Термодинамические исследования горения АОС 60
3.3.1 Методика термодинамического анализа 60
3.3.2 Результаты расчетов и их обсуждение 63
3.4 Исследование закономерностей горения АОС 69
3.4.1 Влияние рецептурных факторов на скорость горения АОС и выход аэрозоля 69
3.4.2 Влияние удельного давления прессования на плотность зарядов и скорость горения 74
3.4.3 Исследование высоты пламени при горении АОС 77
3.4.4 Влияние охлаждающих добавок на горение АОС 82
3.5 Оптимизация рецептуры АОС 85
3.6 Выбор технологии изготовления зарядов АОС 94
3.7 Основные характеристики образующегося аэрозоля 99
3.8 Основные характеристика АОС, генерирующего хлориды щелочных металлов 104 4 CLASS Разработка конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля 105 CLASS
4.1 Основные принципы компоновки конструкций ГОА 105
4.2 Перспективные варианты конструкций ГОА 110
4.2.1 Конструкция ГОА с огнепреградительными сетками и выпускным конусом 110
4.2.2 Конструкция ГОА с аэрозолеотводящим каналом внутри заряда АОС 111
4.2.3 Конструкция ГОА с интенсивным подогревом заряда генерируемым аэрозолем 113
4.2.4 Конструкция ГОА с использованием канального блочного охладителя 116
4.3 Основные характеристики ГОА 119
Заключение 120
Список использованных источников 122
Приложения 135
- Пиротехнические аэрозолеобразующие огнетушащие составы (АОС)
- Методика определения химического состава продуктов горения АОС
- Влияние удельного давления прессования на плотность зарядов и скорость горения
- Конструкция ГОА с интенсивным подогревом заряда генерируемым аэрозолем
Введение к работе
Горение и взрыв являются важной и эффективно развивающейся областью научно-технического прогресса, а сами процессы горения имеют большое практическое значение [1].
Одним из актуальных направлений практического приложения научных результатов в области горения является современное пожаротушение [2].
Актуальность работы. Создание новых технологий пожаротушения неразрывно связано с научно-техническим прогрессом всего общества. Во всех странах и во все времена борьба с пожарами являлась трудной, но жизненно важной государственной задачей.
В настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры организационного и технического характера по обеспечению пожаробезопасности различных объектов, наблюдается тенденция неуклонного роста количества пожаров, человеческих жертв и материального ущерба. Поэтому проблема обеспечения пожарной безопасности объектов различного назначения является весьма актуальной. Успешное ее решение во многом связано с созданием и использованием новых экологически безопасных и высокоэффективных огнетушащих средств.
В практике пожаротушения в закрытых помещениях одним из наиболее эффективных является способ подавления пожара, при котором во всем объеме защищаемого объекта создается среда, не поддерживающая процесс горения. До настоящего времени для этого в качестве огнетушащих веществ использовались газовые инертные разбавители или химически активные галогенуглеводороды - хладоны. Однако инертные разбавители имеют низкую огнетушащую способность, а хладоны способствуют разрушению озонового слоя Земли. Огнетушащие порошковые составы (ОПС) малоэффективны при объемном способе тушения пожаров из-за большого размера частиц и трудности распределения по защищаемому помещению.
В этой связи весьма перспективным является использование новой разновидности средств объемного пожаротушения - твердотопливных аэрозолеобразующих огнетушащих составов (АОС) и генераторов огнетушащего аэрозоля (ГОА) на их основе [3].
Современные 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. При этом в двухфазной системе аэрозоля газообразный компонент, как правило, смесь инертных газов, не поддерживает горение, а свежеобразованные высокодисперсные твердые частицы обладают высокой огнетушащей способностью.
Однако 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. Оксиды щелочных металлов во влажной атмосфере легко гидролизуются, а образующиеся щелочи наносят ущерб оборудованию. 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 этого, работа ГОА без охладителя характеризуется наличием значительного пламени, а при использовании охладителя - резко снижается огнетушащая способность аэрозоля и возрастает его токсичность. Это сдерживает широкое внедрение высокоэффективных аэрозольных систем в практику пожаротушения.
Поэтому весьма актуальной является проблема создания экологически безопасного генератора огнетушащего аэрозоля. Первоочередной задачей на этом пути является получение такого аэрозоля, в котором человек мог бы безопасно находиться длительное время без каких-либо неприятных ощущений (першения в горле, слезоточивости глаз и т.п.), и который, в то же время, обладал бы хорошей огнетушащей способностью.
Исследования выполнялись в рамках гранта Минобразования России по фундаментальным исследованиям в области технических наук ТО 2-12.3-1302 и Региональной научно-технической программы «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области: 2001-2005 г.г.».
Цель работы. Разработать и изучить закономерности горения аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих малотоксичные хлориды натрия и калия в инертном газе. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Выбор исходных компонентов аэрозолеобразующего состава для генерации хлоридов натрия и калия и проведение термодинамических расчетов температуры и равновесного состава продуктов горения разрабатываемых АОС.
2. Установление основных закономерностей горения аэрозолеобразующих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов. Изучение влияния рецептур но-технологических факторов на выходные характеристики АОС.
3. Определение оптимальной рецептуры АОС, обладающей максимальной огнетушащей способностью и минимальной токсичностью продуктов горения.
4. Изучение химического состава газообразных и конденсированных продуктов горения, исследование размера частиц твердой фазы образующегося аэрозоля и динамики его изменения во времени.
5. Разработка основных принципов компоновки и конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля, обеспечивающих охлаждение генерируемого аэрозоля без повышения его токсичности и без увеличения удельного расхода АОС.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов исследования выбраны аэрозолеобразующие огнетушащие составы на основе азида натрия, перхлорвиниловой смолы, перхлората калия и технического углерода.
Термодинамические расчеты температуры и равновесного состава продуктов горения проводились с использованием комплекса программ «Thermo», разработанных в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и основанных на методе минимизации термодинамического потенциала (энергии Гиббса). Экспериментальные исследования процессов горения и аэрозолеобразования проводились с помощью термопар с применением аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для анализа продуктов горения применялись методы хроматографического, аналитического и микроскопического анализов.
Научная новизна работы.
1. Предложено в качестве экологически безопасных ингибиторов горения использовать свежеобразованные высокодисперсные хлориды щелочных металлов.
2. Проведен термодинамический анализ влияния соотношения компонентов АОС на равновесный состав продуктов горения и адиабатическую температуру горения. Установлена область рецептур для экспериментальных исследований.
Изучены основные закономерности горения АОС, влияние на них рецептурно-технологических факторов; оптимизирована рецептура состава, обеспечивающего максимальную огнетушащую способность.
Определен химический состав образующегося аэрозоля и размер частиц его твердой фазы.
5. Сформулированы основные принципы компоновки ГОА, обеспечивающие максимальную чистоту и минимальную температуру генерируемого аэрозоля.
Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе горения аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов, а также о физико-химических свойствах образующихся аэрозолей.
Практическая значимость.
1. Разработана рецептура АОС, генерирующая хлориды щелочных металлов в инертном газе с огнетушащей способностью (27...30) г/мЗ, а также позволяющая тушить все основные классы пожаров (А,В,С,Е), в том числе тлеющие очаги.
Отработана технология изготовления зарядов АОС, обеспечивающая образование экологически безопасного аэрозоля.
Разработаны конструкции ГОА, изготовлены натурные образцы на Тольяттинском заводе противопожарного оборудования (ТЗПО) ВДПО и проведены испытания в Испытательной пожарной лаборатории ЦУС ФПС ГУ МЧС России по Самарской области.
Получен патент РФ.
Научная и практическая значимость работы подтверждена актами внедрения и испытаний.
На защиту выносятся следующие положения:
Закономерности горения АОС, генерирующего хлориды натрия и калия в среде азота, углекислого газа и водяного пара.
Рецептура АОС и ее основные характеристики.
3. Конструкции ГОА с регулируемой степенью аэрозолеобразования, предусматривающие снижение температуры образующегося аэрозоля за счет перераспределения тепла несгоревшей части заряда.
Достоверность и обосновашюсть научных результатов подтверждается использованием современных апробированных и известных методов исследования, контролируемостью условий проведения эксперимента, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, совещаниях: «VI Международном симпозиуме по СВС» (Хайфа, Израиль, 2002), Всероссийской конф. «Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов» (Москва, 2002), Международной научной конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2002), Всероссийских конф. «I и II Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, 2002, 2004), Межвузовской научно-практической конф. «Компьютерные технологии в науке и образовании» (Самара, 2002), Международной научно-технической конф. «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2002), Всероссийской молодежной научной конф. «VII Королевские чтения» (Самара, 2003), Международной конф. «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, 2003), Всесоюзной молодежной научно-технической конф. «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2004), Международной молодежной научной конф. «XII Туполевские чтения» (Казань, 2004), Международных молодежных научных конф. «XXIX и XXXI Гагаринские чтения» (Москва, 2003,2005).
Результаты диссертационной работы награждены золотой медалью и дипломом участника 49 Международной выставки инноваций, иследований и новых технологий, «Эврика-2000», г. Брюссель, Бельгия, 2000 г.; почетной грамотой участника 92 Международного салона изобретений «Конкурс Лепин», Париж, Франция, 2001 г.; дипломом Всероссийского открытого конкурса инновационных проектов «Инновация - рыночный продукт», г, Москва, 2002 г.; дипломом Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения», г. Москва, 2003 г.; медалью и дипломом I степени Всероссийской Выставки-ярмарки инновационной деятельности «Иннов-2003», г. Новочеркасск, 2003 г.; дипломом IV Межрегиональной специализированной выставки с международным участием «Промышленный салон», г. Самара, 2005 г.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно выполнены следующие работы:
1. Термодинамические расчеты разрабатываемых аэрозолеобразующих огнетушащих составов.
Экспериментальные исследования закономерностей горения АОС: приготовление составов, изготовление зарядов, их сжигание, обработка экспериментальных данных.
Исследование характера изменения частиц аэрозоля, образующегося при горении аэрозолеобразующих огнетушащих составов и их изменение во влажной среде.
Работа выполнена в Инженерном центре СВС Самарского государственного технического университета.
Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:
Пат. 2201774 Российская Федерация, МПК7 А 62 С 3/00, 13/22, А 62 D 1/00. Аэрозолеобразующий состав и генератор огнетушащего аэрозоля [Текст] / Амосов А.П., Самборук А.Р., Кузнец Е.А. и др.; заявитель и патентообладатель Самарский госуд.техн.ун-т.- № 2000126609/12; заявл. 25.10.2000; опубл. 10.04.2003.-2 с: таб., ил.
Кузнец, Е.А. Беспламенный СВС генератор огнетушащего аэрозоля [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Р. Самборук, А.Г. Макаренко, В.А. Рекшинский // VI Международный симпозиум по СВС (СВС-2001): сборник трудов / Хайфа, Израиль, 2002.- 17-21 февраля.- С.35.
3. Кузнец, Е.А. Использование процессов горения для получения экологически чистых огнетушащих аэрозолей [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Р. Самборук, А.Г. Макаренко, В.А. Рекшинский // Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов: тр. Всерос.конф. /Москва, ИСМАН.- Москва, 2002.- 24-27 июня.- С. 17-21.
Кузнец, Е.А. Экологически чистые огнетушащие аэрозоли [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Г. Макаренко, А.Р. Самборук, В.А. Рекшинский // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тез.докл. Междунар.научн.конф. / Кисловодск, С-КГТУ.- Кисловодск, 2002.- 13-18 октября.-С.144-145.
Кузнец, Е.А. Аэрозолеобразующие составы с экологически чистыми продуктами горения [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Г. Макаренко, А.Р.
Самборук II Энергетические конденсированные системы: мат. Всерос.конф. / Черноголовка, ИПХФ РАН.- Черноголовка, 2002.- 28-31 октября.- С.173-174.
Кузнец, Е.А. Использование аппаратно-программного измерительного комплекса для исследования СВС-процессов [Текст] / Е.А. Кузнец, Д.В. Закамов, А.Р. Самборук // Компьютерные технологии в науке и образовании/ тез.докл. Межвуз.научно-практич.конф. / Самара, СамГТУ.- Самара, 2002,- 4 ноября.- С.36-37.
Кузнец, Е.А. Использование процессов горения для защиты объектов машиностроения от пожаров [Текст] / Е.А. Кузнец, А.Р. Самборук // Высокие технологии в машиностроении: мат. Междунар.научно-технич.конф. / Самара, СамГТУ.- Самара, 2002.- 19-21 ноября.- С.147-149.
Кузнец, Е.А. Генераторы огнетушащего аэрозоля для промышленного производства [Текст] / Е.А. Кузнец, А.А. Самборук // VII Королевские чтения: тез.докл. Всерос.молод.научн.конф. / Самара, СГАУ.- Самара, 2003.- 1-2 октября.- С.183.
Кузнец, Е.А. Аэрозольные системы пожаротушения на транспорте [Текст] / Е.А. Кузнец, А.П. Амосов, А.Р. Самборук // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: мат. Междунар.конф. / Самара, СамГТУ.- Самара, 200.- 25-27 ноября (Часть 1).-С.56-58.
Кузнец, Е.А. Хлориды натрия и калия как экологически чистые огнетушащие агенты [Текст] / Е.А. Кузнец, А.А. Самборук, Н.Б.Костин // Будущее технической науки: тез.докл. III Всесоюз.молод. научно-технич.конф. / Нижний Новгород, НГТУ.- Нижний Новгород, 2004.- 26-27 мая.- С.325-326.
Кузнец, Е.А. Получение хлоридов щелочных металлов в режиме горения для средств пожаротушения [Текст] / Е.А. Кузнец, А.Р. Самборук, А.Г. Макаренко, В.А. Рекшинский // Энергетические конденсированные системы: тез.докл. II Всерос.конф. / Черноголовка, ИПХФ РАН.- Черноголовка, 2004.- 9-12 ноября.- С.213-214.
12. Кузнец, Е.А. Создание генераторов огнетушащего аэрозоля с экологически чистыми продуктами горения [Текст] / Е.А. Кузнец // XII Туполевские чтения: тез.докл. Междунар.молод.научн.конф./ Казань, КазГТУ им. А.Н. Туполева.- Казань, 2004.- 10-11 ноября.- С.240-241.
13. Кузнец, Е.А. Аэрозрлеобразующий огнетушащий состав для систем пожаротушения, применяемых в замкнутых помещениях [Текст] / Е.А. Кузнец, А.А. Самборук // XXXI Гагаринские чтения: тез.докл. Междунар. мо л од.научн.конф. / Москва, МАТИ.- Москва, 2005.- 5-9 апреля.- С.15-16.
14. Кузнец, Е.А. Аэрозолеобразующие огнетушащие составы, генерирующие хлориды щелочных металлов [Текст] / Е.А.Кузнец, А.П. Амосов, А.А. Самборук // Вестн. С амар.госуд.техн.ун-та. Сер. Технические науки.- 2005.- № 32.- Самара, СамГТУ!- 0210-211.
Пиротехнические аэрозолеобразующие огнетушащие составы (АОС)
Горение является важной и эффективно развивающейся областью науки. Горением называется процесс в энергоемких химических системах, при протекании которого большую роль играют химическое тепло- и газовыделение, перенос энергии и вещества, фазовые и структурные превращения. В химической физике горение рассматривается как быстро протекающий химический процесс, осложненный неизотермичностью и неизобаричностью и вызванными ими процессами переноса [1].
Современное состояние науки о горении и взрыве обеспечено прочным фундаментом, заложенным в классических работах Семенова Н.Н., Зельдовича Я.Б., Франк-Каменецкого Д.А., Харитона Ю.Б., Щелкина К.И., Компанейца А.С., Беляева А.Ф., Андреева К.К. и др.
Огромный вклад в дальнейшее развитие науки о горении внесли Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Жуков Б.П., Липанов A.M., Манелис Г.Б., Сакович Г.К., Шпак B.C., Михайлов Ю.М., Азатян В.В., Стесик Л.Н., Фролов Ю.В., Бабий В.И., Бабкин B.C., Баратов А.Н., Гостинцев Ю.А., Клячко Л.А., Марголин А.Д., Новожилов Б.В., Теснер П.А., Цыганов С.А., Шкадинский К.Г., Юхвид В.И. и др.
Наука о горении имеет большие возможности и реальные успехи в практическом применении. Благодаря использованию тепла реакций горения стала развиваться теплоэнергетика; энергии расширяющихся газообразных продуктов - двигателестроение, транспорт, баллистическая техника; высоким температурам - пиротехника. Неравновесное состояние вещества в продуктах горения газов привело к развитию лазерной техники. Химия реакций горения стала использоваться для синтеза новых химических веществ и материалов. Практические приложения наука о горении находит также при решении проблем техногенной безопасности и экологии. Актуальными направлениями практического приложения научных результатов исследований в области горения являются [1]: - в энергетике и пиротехнике: разработка новых пиротехнических составов и средств для их использования в системах передачи теплового импульса, тепловыделяющих элементах и других устройствах на основе безгазового горения; - в безопасности и экологии: создание новых высокоэффективных ингибиторов горения и детонации газов, обеспечивающих безопасное использование водорода в технике, технологии и энергетике; разработка эффективных средств борьбы с лесными пожарами и другими крупномасштабными пожарами в природе; - в пожаротушении: создание генераторов огнетушащего аэрозоля на основе аэрозолеобразующего состава. Экологические требования к горению являются определяющими и со временем будут все более важными и жесткими. При использовании горения важнейшей проблемой является устранение выброса ядовитых веществ, таких как оксиды азота, угарный газ, полициклические углеводороды, сажа, зола, соединения серы, тяжелые металлы. Значительной части таких выбросов можно избежать с помощью очистки и подготовки топлива, а также очистки продуктов сгорания различными методами. Важной задачей является такая организация горения, при которой образуется минимум ядовитых продуктов. Пиротехнические композиции, относящиеся к классу энергетических гетерогенных конденсированных систем, и изделия на их основе широко используются для решения прикладных задач, как в народном хозяйстве, так и в военной технике. Несмотря на широкий ассортимент пиротехнических составов (ПС) и высокую надежность пиротехнических изделий, требования к ним постоянно возрастают, особенно при использовании в сложных и экстремальных условиях. Поэтому их необходимо совершенствовать и повышать эффективность использования. Можно выделить несколько направлений использования ПС в народном хозяйстве [1,4]: - аэрозольные средства объемного пожаротушения на пиротехнической основе (бесфреонные); - аэрозольные пестицйдные и лечебно-профилактические средства многоцелевого назначения; - экологически чистые составы для защиты растений от заморозков; - газогенерирующие составы для обеспечения жизнедеятельности человека; - многофункциональное оружие самозащиты; - средства охранной сигнализации; - сигнальные и осветительные составы; - ПС для отпугивания птиц, загона и удержания рыбы; - фейерверки и пиротехнические игрушки. Известно, что использование процессов горения для тушения пожаров возможно либо в опосредованном виде, либо непосредственно для тушения.
Методы борьбы с пожарами были всегда интересны для человека, но до сих пор борьба с ними довольно трудная задача [5]. Развитие и создание новых технологий пожаротушения неразрывно связаны с научно-техническим прогрессом всего общества.
История тушения пожаров начинается с использования для этой цели воды [6,7]. Современные средства пожаротушения используют воду в виде аэрозольного водяного облака [2,8]. Песок - одно из простейших средств тушения небольших очагов пожара. Его огнегасящее действие заключается в охлаждении горящего вещества. Пены широко используются при тушении пожаров на промышленных предприятиях, складах и т.п. [9,10]. В качестве инертных разбавителей используют газообразные диоксид углерода, азот, аргон, дымовые газы, водяной пар [11]. Огпетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли с различными добавками, препятствующими слеживанию и комкованию. Огнетушащая способность порошков зависит не только от их химической природы, но и от степени измельчения. Чем мельче частицы порошков, тем больше их поверхность и тем выше их эффективность. Оптимальный размер порошков общего назначения (ПСБ, ПФ, ПГС и т.п.) составляет 40-80 мкм. Но их необходимо хранить в специальных упаковках, предохраняя от увлажнения, и подавать в очаг горения сжатыми газами. Порошки не обладают токсичностью, малоагрессивны, удобны в обращении. Ранее для тушения пожаров использовали хладоны [7]. Хладоны - это товарное наименование предельных галогенуглеводородов, в молекулах которых обязательно имеются атомы фтора, а также могут быть все остальные галогены (ранее назывались фреонами).
Впервые применение аэрозольных средств для тушения пожара описано в 1819 г. Шумлянским, который использовал для этих целей дымный порох, глину и воду. В 1846 г. Кюном предложены коробки, снаряженные смесью селитры, серы и угля (дымный порох), которые рекомендовали бросать в горящее помещение [12].
Широкое использование огнетушащих аэрозолей совпало по времени с запрещением озоноразрушшощих хладонов и необходимостью конверсии оборонных производств [13,14].
Аэрозолем называется дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой или жидкой дисперсной фазы, т.е. это взвесь твердых или жидких частичек в газе [3].
Методика определения химического состава продуктов горения АОС
Данные составы неэффективны в подавлении тления. Также следует помнить, что они имеют предел нестехиометричности, определяемый условиями смешения и догорания первичных продуктов горения в воздухе [65]. При превышении этого предела начинает увеличиваться токсичность состава. Эта особенность позволяет выделить пламенные составы из других: количество горючего в них таково, что воздух, при свободном смешении с первичными продуктами горения АОС, может обеспечить их полное сгорание.
Достоинством пламенных составов является их высокая эффективность, получаемая за счет большой степени заполнения объема помещения азотом воздуха, использованного в факеле и меньшим, по сравнению с подавляемым пламенем, выделением тепла на моль выжигаемого кислорода. При горении на воздухе, такие составы, несмотря на большое содержание в них горючего, нетоксичны. Такими составами являются: ПАС-11, СТК -268, типа Е-1, типа ПТ [66].
Нестехиометрические АОС при горении без доступа воздуха, имеют относительно низкую температуру горения и должны, при охлаждении их продуктов горения, генерировать углекислый газ, метан и другие углеводороды, аналогично тому, как это происходит при ингибировании углеводородного пламени [65]. Этому способствует присутствие в аэрозоле соединений щелочных металлов с очень большой активной поверхностью, являющихся эффективными катализаторами образования углеводородов [67-69]. Можно предположить, что в этих условиях весь водород состава должен переходить в углеводороды, а кислород - в углекислый газ, образующийся в этих же реакциях. Следовательно, СЩ и СОг для данных условий можно было бы считать конечными продуктами реакций. Однако, пламенные составы, при горении без доступа воздуха, в этом случае будут иметь избыток собственного кислорода. Поэтому, образующиеся углеводороды должны сгорать практически полностью. В тоже время, для полного окисления продуктов реакций собственного кислорода недостаточно, поэтому токсичность таких составов по содержанию СО может оказаться высокой.
Таким образом, в условиях горения АОС без доступа воздуха, пламенные составы не являются оптимальными. В этом случае, лучше использовать специальные составы, являющиеся стехиометрическими в расчете на образование метана и углекислого газа. Впервые, такой состав был разработан А.Н. Баратовым [56]. Это состав ТТК-8. Небольшое тепловыделение определяет невысокую температуру горения состава, что позволяет, в некоторых случаях, обходиться без специального охладителя. С охладителем эффективность тушения огня должна увеличиться за счет уменьшения величины выделяемого тепла в помещении и, соответственно, увеличения тепловой эффективности генератора. Поэтому охладитель нужен не только для уменьшения температуры на выходе генератора аэрозоля до безопасного уровня, но и для обеспечения приемлемой огнетушащей способности состава. На практике, более существенным фактором оказывается потеря аэрозоля в охладителе, поэтому роста огнетушащей способности АОС не происходит.
Разные составы требуют разного количества охладителя. В некоторых случаях, вес охладителя может превышать вес самого состава, поэтому оптимальность рецептуры АОС и его реальную эффективность в генераторах аэрозоля, использующих охладитель, правильнее определять по общему весу состава и охладителя.
Такие специальные составы способны подавлять тление. Вероятно, это связано с присутствием большого количества горючих газов (например, метана) в продуктах горения данных АОС. Большинство горючих газов легче воздуха, поэтому должно происходить постепенное уменьшение их концентрации внизу помещения. Всплывая вверх, они увлекают с собой и наиболее тонкий аэрозоль. Это уменьшает эффективность пожаротушения в нижней части помещения. Однако, в реальных условиях этот эффект, скорее всего, будет нивелироваться мощными конвективными потоками, создаваемыми очагами пожара. При сжигании на воздухе подобные составы могут не обеспечить полного окисления продуктов своего сгорания, т.к. их нестехиометричность превышает допустимое предельное значение для этих условий. Кроме того, тогда, они должны терять способность подавлять тление. Это необходимо учитывать при экспериментальном определении токсичности и эффективности таких составов.
Состав [70] не является токсичным при сжигании на воздухе, т.е. он ire требователен к условиям горения и может использоваться в генераторах любой конструкции. Состав продуктов реакций обеспечивает относительно небольшое тепловыделение и температуру горения. Поскольку концентрация СОг в образующейся газовой смеси больше 26%об. (критического значения для метана [71]), то смесь взрывобезопасна при контакте с пламенем или искрой. В действительности, запас взрывобезопасности значительно больше, так как в продуктах горения присутствует также азот и, самое главное, большое количество активного аэрозольного ингибитора.
Продукты горения стехиометрических составов не нужно дожигать в воздухе, поэтому, при некоторых ограничениях, они могут служить полноценным эффективным охладителем. Составы можно сжигать в любых условиях - с доступом или без доступа воздуха. Они могут гореть с небольшим пламенем или беспламенно.
Стехиометрические составы имеют высокую плотность, хорошие массогабаритные характеристики и при горении на воздухе обычно не требуют применения дополнительного охладителя. Продукты горения таких составов не токсичны по СО. Однако, в некоторых случаях, возможно превышение норм токсичности по концентрации NOx.
К недостаткам стехиометрических составов некоторые авторы относят относительно небольшую огнетушащую способность, высокую температуру горения; ограничения на технологию изготовления составов в связи с небольшим содержанием органического горючего (связки) и неэффективность в подавлении тления.
Влияние удельного давления прессования на плотность зарядов и скорость горения
В соответствии с нормами ГУ ГПС МЧС России [92] средства аэрозольного пожаротушения рекомендуются для тушения объемным способом пожаров подкласса А2 и класса В в помещениях с воздушной средой. Как правило, пламенное горение материалов прекращается при подаче в помещение аэрозольной смеси из расчета 50-100 грамм АОС для «горячего» аэрозоля и 100-200 грамм АОС для «холодного» аэрозоля на 1 м3 защищаемого объема.
Максимальное значение давления в защищаемом объеме, наблюдается в начальный период работы генератора [32]. Максимальное значение температуры и содержание огнетушащего аэрозоля, напротив, реализуется в конце работы генератора [33]. При этом значения этих параметров очень сильно зависят от степени негерметичности защищаемого помещения и времени работы ГОА. В наиболее неблагоприятных случаях температура газовой среды в защищаемом помещении может достигать 400 С, а повышение давления может составить ЗОкПа.
Отрицательное воздействие огнетушащего аэрозоля на процесс деструкции различных материалов можно в значительной степени уменьшить, изменив состав АОС таким образом, чтобы в продуктах, образующихся при его горении, не содержалось веществ, имеющих щелочную реакцию.
В последнее время определенный интерес к созданию аэрозольных средств пожаротушения проявляют зарубежные фирмы. В 1993 г. фирмой Kidde Walter (США) совместно с ВНИИПО выполнен цикл экспериментальных исследований по тушению аэрозольными составами двигателей и багажных отсеков самолетов. Примерно в это же время фирма Dinamit Nobel (Германия) совместно с ЛНПО «Союз» начала работы по организации производства аэрозольных генераторов. Фирмой Kidde Deugra (Германия) совместно с фирмой «Интертехнолог» (г. С-Петербург) велись исследования по созданию рецептур аэрозолеобразующих огнетушащих составов и ГОА, которые не давали бы высокотемпературного факела и токсичных продуктов горения, прежде всего СО и оксидов азота. В Израиле к созданию ГОА подключилась фирма «Spektroniks» [13]. Однако широкому распространению за рубежом аэрозольного способа тушения препятствует несоответствие существующих генераторов ряду положений национальных стандартов на средства пожаротушения, в частности, наличие при работе ГОА факела пламени, токсичность продуктов горения и неэффективность при тушении пожаров класса А.
На основании анализа литературы по использованию процессов горения в современных средствах пожаротушения можно сделать следующие выводы: 1. Объемное аэрозольное пожаротушение является одним из наиболее перспективных способов борьбы с пожарами в закрытых помещениях. Однако существующие в настоящее время ГОА генерируют аэрозоли в виде взвеси токсичных оксидов щелочных металлов. В газообразных продуктах кроме азота и углекислого газа, содержатся продукты неполного окисления горючих в виде угарного газа, аммиака, цианидов, оксиды азота, которые оказывают отравляющее воздействие на людей. 2. Пламенное горение материалов прекращается при сгорании 50-100 г/м3 для «горячего» аэрозоля и 100-200 г/м3 для «холодного» аэрозоля. Тушение тлеющих материалов аэрозольными составами эффективно только на самой начальной стадии загорания при продолжительности горения не более 1-2 минуты. 3. Огнетушащая способность АОС тем выше, чем больше степень превращения заряда в аэрозоль, выше газопроизводительность и содержание N2 и С02 в газовой фазе, выше дисперсность твердых частиц. Оптимальное соотношение твердой и газовой фаз составляет 0,4-0,6. Огнетушащая способность стехиометрических АОС обычно всегда меньше нестехиометрических. 4. Газообразные и конденсированные продукты горения АОС должны обладать токсичностью не более III класса опасности и не содержать озоноразрушающие соединения. Наименее токсичны стехиометрические аэрозолеобразующие составы, их можно сжигать в любых условиях (с доступом или без доступа воздуха), они могут гореть с небольшим факелом или беспламенно. 5. Хлориды натрия и калия имеют ПДК=5 мг/м , являются эффективными огнетушащими агентами и широко используются в различных ОПС. Их огнетушащая способность значительно возрастает с увеличением дисперсности частиц. 6. Процесс образования огнетушащего аэрозоля в результате горения заряда АОС при работе ГОА, как правило, сопровождается явлением струйного истечения высокотемпературного аэрозоля и повышением температуры корпуса. Большинство современных ГОА обладает зажигательной способностью, и их применение во взрывоопасных помещениях не предусмотрено. 7. Необходимо охлаждение продуктов горения до температуры порядка 100-200 С. Для этого используется два основных способа: внешнее охлаждение при смешивании продуктов горения с окружающим воздухом и внутреннее - за счет охлаждающих элементов, расположенных внутри генератора. Исходя из вышеизложенного, важной проблемой является создание генераторов огнетушащего аэрозоля безопасных для людей и оборудования, находящихся в защищаемом помещении. Для решения этой проблемы была поставлена цель - получить такой аэрозоль, в котором человек мог бы безопасно находиться довольно длительное время без каких-либо неприятных ощущений, и который, одновременно, обладал бы хорошей огнетушащей способностью. Из этого вытекает следующая постановка задач диссертационной работы: 1. Произвести выбор исходных компонентов состава для генерации хлоридов натрия и калия. 2. Провести термодинамический анализ адиабатической температуры и равновесного состава продуктов горения разрабатываемых АОС. 3. Исследовать основные закономерности горения составов, генерирующих хлориды щелочных металлов. Изучить влияние рецептурно технологических факторов на выходные характеристики АОС. 4. Определить оптимальную рецептуру АОС, обладающую максимальной огнетушащей способностью и минимальной токсичностью продуктов горения. 5. Изучить химический состав газообразных и конденсированных продуктов горения. Исследовать характер изменения частиц генерируемого аэрозоля после истечения в защищаемый объем. 6. Разработать конструкции генераторов огнетушащего аэрозоля, обеспечивающие охлаждение образующегося аэрозоля без увеличения удельного расхода АОС и эффективное распределение его в защищаемом объеме.
Конструкция ГОА с интенсивным подогревом заряда генерируемым аэрозолем
Основными критериями при разработке аэрозолеобразующего огнетушащего состава являлось отсутствие в продуктах горения каких-либо примесей токсичных веществ, а также высокая огнетушащая способность генерируемого аэрозоля.
В качестве огнетушащих агентов были использованы хлориды щелочных металлов. Выбор хлорида натрия объясняется тем, что еще во времена Советского Союза Киевским филиалом ВНИИПО, являющимся головной организацией по порошковым огнетушителям, предпринимались попытки создать огнетушащие вещества на основе хлорида натрия из-за его высокой огнетушащей способности и, особенно, его способности тушить тлеющие очаги. Но это оказалось сложной задачей из-за гигроскопичности NaCl и, как следствие, последующей слеживаемости порошка на его основе. Поэтому следует ожидать, что свежеобразованные высоко дисперсные частицы хлорида натрия будут прекрасными огнегасящими агентами.
В качестве основного компонента газовой фазы выбран азот. Существует много химических носителей азота, например, аммиак, гидразин, нитриды, азиды, мочевина, гуанидин, тетразол и их производные. Из перечисленных соединений только некоторые азиды и органические производные азота при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, обладают удовлетворительной термической стабильностью и содержат относительно высокий процент азота.
В подавляющем большинстве известных составов для генерации азота в качестве основного компонента применяется азид натрия, так как из щелочных азидов только он производится в промышленных масштабах. Поэтому в качестве азотгенерирующего компонента решено использовать неорганический азид натрия (NaN$). В результате его разложения при горении исходного состава образуется азотЛ и активный натрий: Кроме того, азид натрия не является взрывчатым веществом и, тем самым, безопасен в обращении [94].
В качестве источника хлора предполагалось использование хлорных соединений. Гексахлорэтан - (ГХЭ). Содержит 90% хлора. Гексахлорэтан -хлорзамещенный этан CCl -CCly, бесцветные кристаллы со слабым запахом камфоры. Температура плавления 189С Не растворим в воде, умеренно растворим в спирте и эфире, хорошо - в сероуглероде. В качестве пиротехнического источника хлора крайне эффективен ввиду очень большого содержания хлора, но имеет и серьезный недостаток - легко сублимируется. ГХЭ неприменим в качестве цементатора, а также затрудняет воспламенение составов. Токсичен [95].
Гексахлорбензол (ГХБ). Содержит 75% хлора. Бесцветные кристаллы, температура плавления 231С, при 309,4С возгоняется. ГХБ не растворим в воде, ограниченно растворим при нагревании в этаноле, хлороформе, эфире. Токсичен. ГХБ используется в штатных пиротехнических составах, однако, он легко сублимирует [96].
Пентапласт (ПП), принятое в России торговое название простого полиэфира -поли-3,3-бис-(хлорметил) оксетана [-ОСН2С(СН2СГ)2СН2-]п- ПП -термопластичный линейный полимер, степень кристалличности 30%, молярная масса 70-200 тыс.; рогоподобный бесцветный продукт, самозатухает, растворим только в циклогексаноне и хлорбензоле при повышенных температурах. ПП стоек к действию концентрированных минеральных кислот при нагревании до 100С, разрушается лишь сильными окисляющими агентами, например азотной кислотой и олеумом (по химической стойкости превосходит поливииилхлорид, но уступает фторопластам); по прочностным показателям близок полипропилену. ПП хорошо перерабатывается литьем под давлением, экструзией, сваривается и склеивается.
Поливинилхлорид (ПВХ). Содержит - 57% по массе хлора. ПВХ -аморфный полимер формулы [СН2-СИС1]а. Легко доступен и дешев, является наиболее часто применяемым донором хлора. Достоинством ПВХ является его дешевизна. Главной проблемой ПВХ является его нерастворимость в большинстве растворителей.
Поливинилхлоридные хлорированные смолы (перхлорвиниловые смолы) содержащие 62-64% С/. Это - аморфные полимеры, по сравнению с ПВХ характеризуются лучшей растворимостью и более высокой теплостойкостью. Самозатухают и не поддерживают горение, устойчивы к действию кислот, КМпО\, щелочей и других реагентов. Совместимы почти со всеми соединениями, применяемыми в пиротехнике [94].
Как источник хлора была выбрана перхлорвиниловая смола, которая содержит большое количество хлора и растворяется во многих органических растворителях, а также является термопластом. Небольшой избыток азида натрия гарантирует полноту взаимодействия с хлором в зоне протекания реакции горения и исключает образование хлорных соединений в газовой фазе. В качестве твердых источников кислорода в первую очередь обращают на себя внимание хлораты и перхлораты щелочных металлов, ряд характеристик которых приведен в таблице 3.1 [97,98]. Таблица - 3.1 Физические и термодинамические характеристики некоторых хлоратов и перхлоратов щелочных металлов
Похожие диссертации на Горение аэрозолеобразующих огнетушащих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов
