Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Горение гетерогенных конденсированных систем, газогенерирующие составы и устройства, порошковое пожаротушение 14
1.1 Горение гетерогенных конденсированных систем 14
1.1.1 Структура волны горения гетерогенных конденсированных систем 14
1.1.2 Горение за счет реакции в конденсированной фазе 18
1.1.3 Скорость смешивания горючего и окислителя 22
1.1.4 Неодномерный характер горения конденсированных смесей 24
1.1.5 Многостадийность горения конденсированных смесей 26
1.1.6 Тепловые эффекты реакций термолиза конденсированных смесей 29
1.2 Горение пиротехнических составов 30
1.2.1 Требования, предъявляемые к пиротехническим средствам и составам 31
1.2.2 Механизм горения 32
1.2.3 Факторы, влияющие на скорость горения 34
1.3 Газогенерирующие составы и устройства 39
1.3.1 Специальные требования, предъявляемые к газогенерирующим зарядам для порошковых огнетушителей 40
1.3.2 Получение низкотемпературных газообразных продуктов в режиме горения 42
1.3.3 Составы для генерации газовых смесей 44
1.3.4 Конструкции газогенерирующих устройств 47
1.4 Порошковое пожаротушение 54
1.4.1 Порошковые огнетушители 54
1.4.2 Автоматическое пожаротушение 60
1.5 Выводы по главе 1 65
Глава 2. Исследование горения газообразующих составов и разработка газогенерирующего заряда 67
2.1 Обоснование выбора компонентов газообразующего состава 67
2.1.1 Выбор окислителя 67
2.1.2 Выбор горючего и связующего 69
2.1.3 Выбор газифицирующей добавки 71
2.2 Разработка рецептуры газообразующего состава 74
2.2.1 Расчет рецептур газообразующих составов 74
2.2.2 Результаты сравнительных расчетов термодинамических характеристик составов 76
2.2.3Методика проведения испытаний 83
2.2.4 Конструкция газогенерирующего заряда 86
2.2.5 Экспериментальные исследования основных характеристик составов в режиме горения 88
2.3 Чувствительность и безопасность газообразующих составов 93
2.4 Технология изготовления газогенерирующего заряда 98
2.5 Выводы по главе 2 100
Глава 3. Горение пиротехнических зарядов в составе газогенерирующих устройств 102
3.1 Технические требования к газогенерирующим устройствам для порошковых огнетушителей 102
3.2 Выбор воспламенительного состава 102
3.3 Выбор фильтрующего материала 107
3.4 Обоснование выбора материала корпуса газогенерирующего устройства 112
3.5 Разработка конструкции газогенерирующего устройства 117
3.6 Исследования зависимости основных характеристик газогенерирующего устройства от рецептурных факторов 120
3.7 Экспериментальное определение химического состава генерируемого газа 123
3.8 Выводы по главе 3 125
Глава 4. Использование процессов горения пиротехнических зарядов при разработке гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения 126
4.1 Сравнительный анализ устройств пожаротушения с использованием порошковых огнетушителей и генераторов огнетушащего аэрозоля 126
4.2 Конструкция газогенерирующего устройства 127
4.3 Генератор огнетушащего аэрозоля 129
4.4 Совместное использование генератора огнетушащего аэрозоля и газогенерирующего устройства 133
4.5 Выводы по главе 4 138
Глава 5. Экспериментальные исследование горения разработанных пиротехнических зарядов и газогенерирующих устройств в составе огнетушителей 139
5.1 Испытания разработанных пиротехнических источников холодного газа в составе огнетушителей 139
5.2 Исследование зависимости рабочих характеристик пиротехнических источников холодного газа от начальной температуры 141
5.3 Огнетушитель с разработанными пиротехническими источниками холодного газа 142
5.4 Выводы по главе 5 144
Выводы по диссертации 145
Список использованных источников... 147
- Структура волны горения гетерогенных конденсированных систем
- Выбор горючего и связующего
- Обоснование выбора материала корпуса газогенерирующего устройства
- Совместное использование генератора огнетушащего аэрозоля и газогенерирующего устройства
Введение к работе
Актуальность работы.
Во всех странах и во все времена борьба с пожарами являлась трудной, но жизненно важной государственной задачей. Однако, 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, объясняемая рядом причин, в том числе и террористической деятельностью. Поэтому проблема обеспечения пожарной безопасности объектов различного назначения является весьма актуальной. Она является важной составной частью системы общей безопасности и противодействия терроризму. Успешное ее решение во многом связано с созданием и использованием новых экологически безопасных и высокоэффективных огнетушащих средств.
За последние три десятилетия порошковые средства пожаротушения ввиду универсальности их использования и высокой огнетушащей способности нашли широкое применение в отечественной практике и за рубежом. Основными конструкциями порошковых пожаротушащих устройств общей массой до 20 кг (масса огнетушащего вещества - до 10 кг) являются переносные огнетушители и стационарные модули порошкового пожаротушения.
По заключению Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны порошковые огнетушители по своим тактико-техническим параметрам существенно превосходят углекислотные и пенные.
В зависимости от способа создания рабочего давления различают три основных типа огнетушителей: закачные, с газобаллонным устройством и с газогенерирующим устройством (ГГУ).
Огнетушители с газогенератором имеют существенные преимущества перед огнетушителями с газовым баллоном и перед огнетушителями закачного типа:
- надежность работы, долговечность и безопасность при хранении за счет
невозможности утечки газа (давление в корпусе огнетушителя отсутствует);
- простота перезарядки огнетушителя (не требуется компрессорное
оборудование);
увеличение срока до регламентной перезарядки огнетушителя (срок службы газогенератора 10 лет);
большие гарантийные сроки хранения (10-15 лет);
низкая металлоемкость изделий, так как рабочее давление газогенераторов составляет 2-4 МПа, тогда как у газобаллонных устройств - 10-15 МПа и газогенерирующие устройства не требуют применения толстостенных металлических корпусов;
существенное упрощение технического обслуживания во время эксплуатации из-за отсутствия необходимости контроля утечки газа.
Нормативная продолжительность приведения в действие огнетушителей с ГГУ составляет 6 секунд. Опыт практического использования таких огнетушителей показал, что в экстремальных условиях пожара люди открывают выпускной клапан до истечения необходимого времени и, не получив огнетушащей струи, отбрасывают огнетушитель в сторону, считая его неисправным. Поэтому необходимо сократить
время приведения огнетушителя в готовность до 1,5-2 при сохранении низкого уровня внутрикамерного давления газогенерирующего устройства.
В настоящее время в качестве огнетушащих порошковых составов (ОПС) используются легкоплавкие соединения с температурой плавления 80-100 С, способные подавлять горение жидкостей и твердых веществ, в том числе материалов, горение которых сопровождается тлением. Чтобы не вызывать агрегирование подобных ОПС и обеспечить полноту их выброса, температура газа на выходе из газогенерирующего устройства не должна превышать 150 С.
Наличие тепловыделения при задействовании заряда ГГУ может приводить к значительному отличию температуры газов, поступающих в корпус, от температуры окружающего воздуха и элементов конструкции огнетушителя. Это явление нежелательное, так как повышение температуры порошка из-за теплообмена с горячими газами приводит к снижению его текучести. При значительном увеличении температуры порошка (до 190-200 С) возможно его плавление, спекание, образование пробок, перекрывающих транспортную магистраль подачи порошка и снижающих его выброс. Поэтому одна из задач, которую также необходимо решить - это снизить температуру генерируемого газа. Согласно требованиям норм пожарной безопасности газогенерирующие устройства с низкой температурой генерируемого газа называются источниками холодного газа (ИХГ).
Однако для пиротехнических генераторов традиционного типа горения характерен высокий уровень температуры генерируемого газа, что существенно ограничивает область их применения и вынуждает применять в ряде случаев газобаллонные устройства, несмотря на их недостатки.
В известных устройствах получить газ температурой менее 200 С удается только ценой значительного усложнения конструкции газогенерирующих устройств или путем применения специальных охладительных устройств различного типа:
- механических (проволочные сетки, несколько слоев фильтрующего
материала, наборы из отражательных пластин и слоев древесного угля и др.);
химических (поглотители тепла в виде карбонатов цинка, кальция, магния, натрия, оксалатов натрия, аммония и др.);
комбинированных.
Температуру генерируемого газа менее 150 С без применения специальных охладительных устройств способны создать газогенераторы с фильтрацией продуктов горения через пористый заряд (фильтрационное горение), однако, их существенным недостатком является низкая удельная газопроизводительность.
Цель работы: исследование процессов горения пиротехнических газогенерирующих зарядов, разработка рецептур составов и конструкций устройств химических источников давления для средств пожаротушения с низкой температурой генерируемого газа и сокращенным временем работы при сохранении низкого уровня внутрикамерного давления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Изучение основных закономерностей и особенностей горения пиротехнических газогенерирующих составов, используемых в химических источниках давления.
-
Выполнение термодинамических расчетов параметров горения газогенерирующих составов для обоснования выбора исходных компонентов состава.
-
Проведение экспериментальных исследований процессов горения и разработка рецептур газогенерирующих составов с невысокой температурой горения и повышенной удельной газопроизводительностью.
-
Разработка конструкций газогенерирующих устройств для порошковых огнетушителей и гибридных огнетушащих устройств на основе газогенерирующих составов с высокой скоростью горения при сохранении низкого уровня внутрикамерного давления.
Научная новизна.
-
Проведен термодинамический анализ влияния соотношения исходных компонентов на равновесный состав продуктов и адиабатическую температуру горения для оценки рабочих характеристик пиротехнических газогенерирующих составов.
-
Установлены основные закономерности горения газогенерирующих зарядов, разработаны рецептуры составов и исследовано влияние рецептурных факторов, изучена термостабильность и чувствительность составов.
-
Исследован процесс зажигания и разработана рецептура воспламенительного состава и технология его нанесения на заряд, обеспечивающие надежное зажигание и минимальное время задержки воспламенения газогенерирующего заряда в составе газогенерирующего устройства.
-
Сформулированы основные принципы компоновки конструкции зарядов и газогенерирующих устройств, обеспечивающие низкую температуру генерируемого газа и минимальный уровень внутрикамерного давления.
Достоверность научных результатов работы обусловлена использованием современных апробированных и известных методов исследования, современного программного обеспечения для выполнения расчетов, корректностью использования законов и математического аппарата теплофизики, термодинамики и газодинамики, контролируемостью условий проведения эксперимента и воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными, успешным практическим использованием.
Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе горения пиротехнических газогенерирующих составов.
Практическая значимость работы.
-
Разработаны и всесторонне исследованы две рецептуры газогенерирующих составов с невысокой температурой горения (не более 900 С) и увеличенной удельной газопроизводительностью (не менее 550 л/кг). Составы обладают высокими безопасностными свойствами, не содержат дорогих и токсичных компонентов, технология их приготовления предусматривает использование стандартного оборудования.
-
Разработана конструкция пиротехнических источников холодного газа, удовлетворяющая всем требованиям нормативной документации для источников давления к порошковым огнетушителям.
-
Разработано гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения (ГУАПП), которое является основным элементом для построения модульных автоматических установок пожаротушения.
-
На учебно-опытной базе СамГТУ «Петра-Дубрава» организовано опытное производство источников холодного газа. На основе выпускаемых
газогенерирующих устройств Самарским заводом противопожарного оборудования разработан и сертифицирован порошковый огнетушитель с массой огнетушащего вещества два килограмма ОП-2(г), освоено его производство. Изготовлены также опытные образцы ГУАШІ и проведены их испытания, подтвердившие эффективность и надежность работы.
Научная и практическая ценность работы подтверждена актами внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований горения пиротехнических газогенерирующих составов.
-
Рецептуры газогенерирующих составов с содержанием в качестве газифицирующей добавки поливинилового спирта и циануровой кислоты.
-
Конструкция источников холодного газа с температурой генерируемого газа не более 150 С с сокращенным временем работы (1,5-2 с) и низким уровнем внутрикамерного давления (1,8-2 МПа).
-
Конструкция гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы специальной технической химии» (Казань, 2007); VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2008); Международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения» (Казань, 2008); XIV Симпозиуме по горению и взрьшу (Черноголовка, 2008); Всероссийской научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии» (Казань, 2009); XVIII Научно-технической конференции «Системы безопасности - 2009» (Москва, 2009), организованной Академией ГПС МЧС России.
Результаты диссертационной работы отмечены: Дипломом и золотой медалью 4-ой Международной выставки изобретений TAIPEI INST г. Тайбей, Тайвань, 2008г.; Дипломом и бронзовой медалью Международной выставки изобретений г.Женева, Швейцария, 2008г.; Дипломом VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций г.Москва, 2008г.; Дипломом I степени Международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения» г.Казань, 2008г.; Дипломом Первого российского форума «Российским инновациям - Российский капитал» и VI Ярмарки бизнес-ангелов и инноваторов г.Чебоксары, 2008г.; Дипломом смены «Инновации и техническое творчество» Всероссийского молодежного инновационного форума «Селигер - 2010» оз.Селигер, Тверская обл., 2010г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, в том числе 3 в изданиях, входящих перечень рецензируемых журналов ВАК РФ, получен 1 патент РФ.
Личный вклад автора.
В рамках диссертационного исследования автором лично выполнены следующие работы:
1. Термодинамические расчеты горения пиротехнических
газогенерирующих составов с формулировкой основных закономерностей.
-
Экспериментальные исследования закономерностей горения пиротехнических газогенерирующих составов и разработка рецептур.
-
Разработка воспламенительного состав для зажигания пиротехнического газогенерирующего заряда.
-
Разработка конструкции пиротехнических источников холодного газа.
-
Разработка конструкции гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста и содержит 33 рисунка, 22 таблицы и 2 приложения на 2 листах.
Структура волны горения гетерогенных конденсированных систем
В ней выделяют две зоны - низкотемпературную предпламенную зону (или зону прогрева) и высокотемпературную зону - зону реакции [2]. В первой зоне интенсивно протекают процессы тепло- и массопередачи, а химические реакции еще не идут. Во второй - наоборот, происходит интенсивное химическое тепловыделение, а тепло- и массопередача ослаблена. По завершению процесса, в конце волны достигается наибольшая температура, которую называют адиабатической температурой горения Tad И. Ширина зоны реакции в классических представлениях намного меньше ширины зоны прогрева не только по протяженности, но и по температуре. Поэтому скорость горения связана адиабатической температурой горения [2]. в общем случае скорость горения зависит от скорости смешения исходных компонентов в зоне прогрева и зоне реакции (для гетерогенных систем), от скорости химических реакций между компонентами, от скорости передачи тепла и активных частиц из зоны реакции к исходной системе [1]. Нормальная скорость горения (и тем более форма фронта горения) зависит от условий течения свежей смеси и продуктов горения (особенно при горении в двигателях).
В теории горения рассматривается несколько основных типов пламен. Они неодинаковы по своему научному и практическому значению и степени изученности. Неодинаковы параметры, представляющие наибольший интерес для данного типа пламени. Некоторые различия имеются и в экспериментальных методах.
Наиболее важные для теории горения типы пламен [1];
1. Ламинарное пламя в гомогенной газовой смеси. К этому же типу относятся пламя при горении летучих взрывчатых веществ (ВВ).
2. Ламинарное диффузионное пламя при горении струи горючего газа в окислительной атмосфере. К этому типу примыкает пламя при диффузионном горении жидкого горючего, налитого в цилиндрический сосуд, и т.п.
3. Пламя при горении капли жидкого горючего или частицы твердого горючего в окислительной атмосфере.
4. Турбулентные пламена в гомогенных или предварительно не смешанных газовых смесях.
5. Пламя при горении нелетучих взрывчатых веществ, порохов и т.д. в тех случаях, когда существенную роль играет реакция ув конденсированной фазе.
Имеется большое число промежуточных случаев, например, горение взвеси частиц твердого горючего или взвеси капель жидкого горючего в потоке газообразного окислителя (этот случай сочетает в себе признаки, характерные для пламен типа 3 и 1 или 3 и 4). Наибольший технический интерес представляют именно промежуточные случаи.
Горение конденсированных смесей также представляет собой промежуточный случай, в котором могут в той или иной степени сочетаться признаки, характерные для пламен типа 1, 2, 3, 4 и 5. Турбулентность также может играть определенную роль при горении конденсированных смесей, однако в совершенно иных условиях по сравнению с пламенами типа 4.
При ламинарном горении газовых смесей и гомогенных конденсированных систем большое принципиальное значение имеет понятие нормальной скорости горения (Мн)- По определению, ин равна скорости перемещения пламени относительно свежей смеси в направлении, перпендикулярном поверхности пламени в данной точке [1]. Размерность ин в системе СИ - м/сек, однако для скорости горения употребляется редко и только для газовых систем. Обычно величину щ для газовых систем выражают в см/сек, а для конденсированных систем в мм/сек (если выражать скорость горения конденсированных систем в м/сек, то в обычном диапазоне давлений получаются очень малые дробные числа).
Для гомогенных конденсированных систем чаще всего измеряется скорость горения цилиндрических зарядов, горящих с торца, причем фронт горения полагается плоским (опыт показывает, что в большинстве случаев при наличии надлежащей оболочки это допущение справедливо, и искажения наблюдаются лишь на краях заряда) [1]. К тому же для твердых веществ (и достаточно вязких жидких веществ) исходное (твердое или жидкое) вещество неподвижно во время горения. Поэтому в данном случае нормальная скорость горения просто равна видимой скорости пламени (в лабораторной системе координат) и постоянна в различных точках заряда.
Понятие нормальной скорости горения удается применить далеко не ко всем типам пламен. В частности, для конденсированных смесей поверхность фронта горения имеет сложную нестационарную форму, и измерить ее величину не представляется возможным. Поэтому для конденсированных смесей под скоростью горения подразумевают видимую скорость перемещения всей зоны горения (в лабораторной системе координат), какова бы ни была толщина этой зоны и поверхность фронта горения [1]. Лишь в предельном случае достаточно мелкодисперсных смесей летучих компонентов, когда горение протекает аналогично горению гомогенных систем, скорость горения является нормальной скоростью горения. Помимо линейной скорости горения пользуются также массовой скоростью горения т=ри, где р - плотность свежей смеси. Очевидно, что т равна массе вещества, сгорающей в единицу времени на единице площади фронта горения (если взята ин) или на единице площади поперечного сечения заряда (если взята и). В системе СИ размерность массовой скорости кг/м2-сек, однако в литературе эта единица не встречается величину т выражают в г/см -сек (1 г/см -сек = 10 кг/м2-сек).
Как для газовых, так и для конденсированных систем массовой скоростью горения пользуются реже, чем линейной. Отчасти это связано с тем, что экспериментально, как правило, измеряется именно линейная скорость горения. Однако при сравнении скорости горения газовых и конденсированных систем годится только массовая скорость.
Выбор горючего и связующего
Вследствие того, что для газообразующих составов одним из главных характеристик является удельный объем образующихся газообразных продуктов, в состав было необходимо ввести вещества, которые при своем сгорании выделяют достаточное количество газов.
В качестве газифицирующей добавки для исследований были выбраны: поливиниловый спирт, циануровая кислота, аммелид, меламин, дициандиамин. Выбранные вещества являются как горючими, так и связующими.
Поливиниловый спирт (ПВС, структурная формула [-СНгСН (ОН)-]п) -искусственный, водорастворимый, термопластичный полимер; является превосходным эмульгирующим, адгезионным и пленкообразующим полимером. Он обладает высокой прочностью на разрыв и гибкостью [83]. Эти свойства зависят от влажности воздуха, так как полимер адсорбирует влагу. Вода действует на полимер как пластификатор. При большой влажности у ПВС уменьшается прочность на разрыв, но увеличивается эластичность. На воздухе при 220 С ПВС необратимо разлагается с выделением СО, СО2, уксусной кислоты и изменением цвета полимера с белого на темно-коричневый [84].
Циануровая кислота (C3H3N3O3) - трехуплотненный полимер циановой кислоты. Синтез циануровой кислоты осуществляется в основном методом пиролиза мочевины. Циануровая кислота растворяется без изменения в крепкой серной кислоте; при кипячении с водными кислотами или избытком щелочей распадается на углекислоту и аммиак; при нагревании выше 150 С безводная циануровая кислота превращается в циановую, водная часть разлагается при этом на СО2 и NH3 [85].
Циануровая кислота и ряд её производных используются для производства эффективных отбеливающих и дезинфицирующих средств, полимеров. Применяется как фунгицид, гербицид, антипирен, клей [85]. Триаллильное производное циануровой кислоты используется как сшивающий агент в производстве полимерных материалов.
Антипиренное свойство циануровой кислоты поможет снизить температуру генерируемых газов, что является актуальным при разработке рецептуры газообразующего пиротехнического состава. Аммелид (C3H4К4O2) - первый амид циануровой кислоты [86].
Меламин (CЗH6N6) практически нерастворим в холодной воде и большинстве органических растворителей. Его применяют в производстве меламино-формальдегидных смол (пластмассы, клеи, лаки), ионообменных смол, дубителей, гексахлормеламина, используемого в производстве красителей и гербицидов [87, 88].
Дициандиамид (С2Н4М4) используется как горючее и одновременно как пламягаситель; труднорастворим в холодной воде, негигроскопичен. Хорошо растворим в ацетоне, горячей воде и горячем алкоголе, нерастворим в бензоле. При нагревании его при температуре свыше 180 С отщепляет аммиак, образуя меламин [29].
Физико-химические свойства и токсичность с пожаровзрывоопасностью выбранных для исследований компонентов газообразующего состава представлены в таблице 2.1 и в таблице 2.2 соответственно [29, 56, 83-88]. Таблица 2.1. Основные свойства исходных компонентов Наименование, формула Плотность,г/см3 Температура плавления, С Температура разложения, С Энтальпияобразования,кДж/моль Нитрат калия, KN03 2,1 336 700 -498 Бакелит, С12Н11О2 1,3 100 150 -300 Поливиниловый спирт, Г-СН2СН (ОН)-]„ 1,3 225-230 170-230 Циануровая кислота, C3H3N3O3 1,8 360 (с разложением) — -690 Аммелид, C3H4М402 — — - 423 Меламин, C3H6N6 1,6 364 (с разложением) — -64 Дициандиамид, С2Н4М4 1,4 209 (с разложением) — -19 Таблица 2.2. Токсичность и пожаровзрывоопасность исходных компонентов Наименование, формула Токсическое действие ПДК,мг/м3 Пожаровзрывоопасность Нитрат калия, KN03 Токсичен, относится к III классу опасности, вызывает изъявление слизистой оболочки носа 5 Окислитель, способствующий самовозгоранию горючих веществ Бакелит, С12Н11Оз Относится ко II классу опасности. При вдыхании пыли возникают катары дыхательных путей 6 Горючее вещество, взрывобезопасно. Нижний предел воспламенения пыли в воздухе 46 г/мо Поливиниловый спирт, Г-СН2СН (ОН)-1„ Малотоксичен. Относится ко IV классу опасности 10 Горючее вещество, взрывобезопасно Циануровая кислота, C3H3N3O3 Малотоксична. При вдыхании пыли возникает кашель 50 Горючее вещество, взрывобезопасно Аммелид, C3H4Н402 Малотоксичен 10 Горючее вещество, взрывобезопасно Меламин, C3H6N6 Малотоксичен 50 Горючее при определенных условиях. Мелкодисперсные частицы в воздухе образуют взрывоопасные смеси Дициандиамид, С2Н4К4 Малотоксичен 10 Горючее вещество, взрывобезопасно Масса газообразующих составов Токсичность пыли обусловлена входящими в состав массы компонентами 5 Пожароопасна. Взрывобезопасна 2.2 Разработка рецептуры газообразующего состава Определение оптимального соотношения компонентов газообразующего состава производилось на основании сравнительных расчетов равновесных термодинамических характеристик исследуемых составов с последующим экспериментальным уточнением основных показателей.
Соотношение между окислителем и горючим определяется реакцией окисления горючего и продуктов его разложения кислородом или хлором (фтором) окислителя, и, следовательно, может быть определено стехиометрически.
Расчет рецептур сводится чаще всего к определению массовых долей компонентов, входящих в состав. При этом в простейших случаях не учитываются активности компонентов и наличие примесей. Расчет стехиометрических смесей производился через молекулярные массы по методике [89].
Разложение нитратов металлов протекает по двум направлениям: 1. xMe(N03)n - МехОу + 0.5хпЖ + 0,5(хп у)02, 2. xMe(N03)n -хМе + 0.5хп№ +\,5хп02. В таких реакциях при разложении нитратов образуются такие окислы азота, которые при горении пиротехнических являются промежуточными продуктами (например, NO). Образуется ли в процессе горения состава при разложении нитрата окисел или металл, зависит от температуры горения состава, от кислородного баланса состава и от сродства к кислороду металла, нитрата и горючего, с которым смешан нитрат.
При высокой температуре горения состава, при любом кислородном балансе состава металл образуется в горячей зоне пламени за счет диссоциации окисла (МеОу), образовавшегося при разложении нитрата; 1. МеОу хМеО + 0.5(у-х)О2 2. MeO Me + 0.5O2 Первая реакция протекает легче второй, так как при высокой температуре многоатомные окислы одного и того же элемента менее устойчивы, чем одноатомные. Металл, попадая затем в холодную зону пламени, окисляется до устойчивого к кислороду окисла.
Металл, как конечный продукт горения состава, может образоваться в том случае, если металл окислителя устойчив к кислороду и если сродство металла окислителя к кислороду меньше сродства горючего, т.е. если горючим является металл.
Обоснование выбора материала корпуса газогенерирующего устройства
К газогенерирующим устройствам, предназначенным для использования в порошковых огнетушителях, предъявляется ряд требований, исходя из следующих положений [36, 37]: 1) Нормативная продолжительность приведения в действие огнетушителей с ГТУ должна составлять не более 6 с. 2) Температура корпуса ГГУ и струи газа из него не должна приводить к спеканию огнетушащего вещества и нагреву корпуса огнетушителя до температуры выше 60 С. 3) Конструкция ГГУ и узла его крепления к огнетушителю должна исключать возможность попадания в огнетушащее вещество твердых продуктов реакции взаимодействия компонентов ГГУ, а также обеспечивать удобную и быструю перезарядку огнетушителя. 4) Газогенерирующие устройства должны быть безопасны при хранении и применении, а также не должны обладать свойствами, позволяющими применять их не по прямому назначению. Кроме того, газогенерирующие устройства должны сохранять работоспособность в интервале температур от -50 С до +50 С; сгорать без взрыва; не содержать токсичных для человека веществ [36, 37].
Воспламенительные (зажигательные) составы служат для зажигания основных пиротехнических составов. Действие такого состава заключается в прогревании поверхностного слоя основного состава до температуры воспламенения.
Чем выше температура воспламенения основного состава, тем более «сильный» воспламенительный состав требуется для инициирования в нем процесса горения. К воспламенительным составам предъявляются следующие требования [29]: 1) Они должны легко воспламеняться от сравнительно небольшого начального импульса (удар, трение, тепловое воздействие); 2) Температура горения воспламенительного состава не должна значительно превышать температуру воспламенения поджигаемых ими зарядов; 3) Воспламенительные составы должны обеспечивать минимальное время задержки и надежное зажигания основного пиротехнического состава; 4) Составы должны создавать минимальное пиковое давление в момент ерабатывания.
Известно, что зажигательное действие воспламенительного состава будет тем сильнее, чем выше температура горения и чем большее количество шлака останется после его сгорания на поверхности основного состава.
У жидких шлаков поверхность соприкосновения с поджигаемым еоетавом будет больше, чем у твердых, а, еледовательно, больше будет и количество тепла, передаваемое ими заряду в единицу времени.
Опытом установлено, что существует оптимальное время воздействия горящего воспламенительного состава на заряд для обеспечения его надежного воспламенения. Воспламенительные составы применяются в спрессованном виде, а также в некоторых случаях и в неуплотненном соетоянии.
В воспламенительных составах должны быть использованы окислители, легко и по возможности при сравнительно невысокой температуре отдающие свой кислород, и легко окисляющиеся горючие.
Окислителей, легко отдающих свой кислород, - много. К их числу относят перманганаты, хлораты, нитраты щелочных металлов и др.
Исходя из требования невысокой чувствительности состава к механическим воздействиям, чаще других в воспламенительных составах используют нитрат калия. В качестве горючих применяют древесный уголь, идитол, антимоний и др. Для усиления действия воспламенительных составов в них вводят в качестве дополнительного горючего порошки металлов (например, магний, цирконий), повышающие температуру горения состава. Сильным воспламенительным действием обладают составы термитного типа, однако сами эти составы имеют высокую температуру воспламенения [95]. Была исследована возможность использования в качестве дополнительного воспламенительного заряд двух типов воспламенителей: газообразующего (ДРП-2) и малогазовых (МГС-Si).
Воспламенитель помещался между капсюлем-воспламенителем “Жевело” (ГОСТ 24579-81 ) и зарядом газообразующего состава. Навеска воспламенителя составляла 0,5-2 г.
Совместное использование генератора огнетушащего аэрозоля и газогенерирующего устройства
Для изучения параметров совместной работы ГОА и ГГУ был разработан специальный испытательный стенд, имитирующий работу гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения (рисунок 4.3). При работе испытательного стенда фиксировались следующие параметры: - изменение давления внутри камеры горения генераторов аэрозоля и газа; - изменение давления перед разрывной мембраной; - изменение температуры на выходе из генераторов газа и аэрозоля. На момент написания диссертационной работы завершены работы по созданию опытного образца ГУАПП. Опытный образец ГУАПП состоит из металлического корпуса, выполненного из двух сферообразных частей, плотно соединенных между собой, в котором находятся огнетушащий порошок, газогенерирующее устройство, генератор огнетушащего аэрозоля, узел самозапуска и электрический активатор [71].
Принцип работы гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения состоит в следующем. Срабатывание устройства происходит при подаче электрического импульса на средство воспламенения 9 от системы автоматической пожарной сигнализации или по команде оператора. Время работы ИХГ составляет 1-1,5 с, а ГОА - 30-35 с. При одновременном запуске ГОА 4 и ИХГ 7 нарастает давление внутри корпуса 1 и через 1,5-2 с происходит разрушение разрывной мембраны 2 и выброс огнетушащего порошка 5 в зону горения. При этом сначала защищаемое помещение заполняется порошковым облаком из огнетушащего порошкового состава с размером частиц 50-80 мкм. Это объясняется тем, что огнетушащая эффективность зависит от размеров частиц огнетушащих веществ, и крупная фракция более эффективна на начальном этапе тушения, когда необходимо разрушить конвективную колонку очага и зону подсоса окислителя (заставив его засасывать огнетушащее облако), а также экранировать горючие материалы от теплового потока [71].
Причем из-за существенной разницы в быстродействии ответственным за реализацию этого этапа работы устройства является ИХГ. Через 8-Ю с концентрация порошка крупной фракции снижается до 30%, но к этому моменту ГОА выдает 30-35% свежеобразованного огнетушащего аэрозоля мелкой фракции с размером частиц 0,1-5 мкм, причем ГОА продолжает генерацию аэрозоля еще в течение 15-20 с. При этом создаются лучшие условия для распространения образующегося мелкодисперсного аэрозоля, так как устойчивая конвекция очага к этому моменту уже практически разрушена [71]. Немаловажно и то, что поверхности предметов оказываются защищенными осевшей крупной фракцией порошка, а лучистое тепло струи экранируется уже витающими турбулизированными газопорошковыми облаками. Кроме того, газоаэрозольная струя истекает во флегматизированную атмосферу, а охлажденный ультрадисперсный аэрозоль эффективно предотвращает повторные возгорания при минимальных концентрациях. Также наблюдается эффект синергизма (взаимоусиления) порошкового и аэрозольного способов пожаротушения [71].
В рамках разработки гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения получен патент на полезную модель № 91872 «Гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения» (патент зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.03.2010) [103]. На рисунке 4.4 изображено гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения (ГУАШІ):
Гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения характеризуется функциональной надежностью выброса огнетушащего порошка при работе ИХГ и стабильностью работы ГОА простой конструкцией по генерированию ультрадисперсного огнетушащего аэрозоля с высокой огнетушащей способностью, без его потерь для более эффективного тушения пожаров.
ГУАПП может применяться для противопожарной защиты объектов малых и средних объемов, находящихся под напряжением до 1000 В, а также там, где недопустимо использование водяного пожаротушения.
Гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения предназначено для локализации и тушения пожаров твердых горючих материалов, горючих жидкостей и электрооборудования, находящегося под напряжением, в производственных, складских, бытовых и других помещениях [103]. ГУАПП является основным элементом для построения модульных автоматических установок порошкового пожаротушения. ГУАПП обладает функцией самосрабатывания при достижении температуры 85±5 С. ГУАПП не тушит возгорания щелочных и щелочно-земельных металлов и веществ, горящих без доступа воздуха. Устройство относится к классу стационарных огнетушителей и не содержит озоноразрушающих веществ.
Похожие диссертации на Горение пиротехнических газогенерирующих составов и разработка устройств для средств пожаротушения
