Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние вопроса обеспечения пожарной безопасности кабельных сооружений 16
1.1 Кабельные сооружения и их пожарная опасность 16
1.1.1 Пожары в кабельных сооружениях 16
1.1.2 Пожарная опасность аварийных режимов работы кабелей и электропроводок 19
1.1.3 Горючесть электрических кабелей 21
1.1.4 Температурный режим при пожаре в кабельных сооружениях 25
1.2 Пожаротушение кабельных сооружений 27
1.2.1 Пожаротушение кабельных сооружений водой 27
1.2.2 Пожаротушение кабельных сооружений воздушно-механической пеной 33
1.2.3 Пожаротушение кабельных сооружений аэрозольными огнетушащими составами 37
1.2.4 Пожаротушение кабельных сооружений газовыми огнетушащими составами 43
1.3 Современные средства пожаротушения 46
1.3.1 Тонкораспылённая вода 46
1.3.2 Порошок 51
1.3.3 Комбинированное пожаротушение 53
1.4 Итоговый анализ процессов горения и пожаротушения кабелей для выбора направлений исследования 53
Глава 2 Экспериментальное исследование процесса пожаротушения кабелей 60
2.1 Исследование пожаротушения модельного очага различными огнетушащими веществами 60
2.1.1 Методика экспериментальных исследований 60
2.1.2 Исследуемые огнетушащие вещества и средства их подачи 66
2.1.3 Специфика исследования пожаротушения кабелей водой, тонкораспылённой водой, «водяным туманом» 67
2.1.4 Специфика исследования пожаротушения кабелей высокократной пеной 71
2.1.5 Специфика исследования пожаротушения кабелей газовыми (аэрозольными) огнетушащими составами 75
2.1.6 Специфика исследования пожаротушения кабелей порошковыми огнетушащими составами 79
2.2 Натурные испытания по пожаротушению кабелей комбинированным способом 83
2.2.1 Методика проведения испытаний 83
2.3 Обобщённые результаты экспериментальных исследований 87
Глава 3 Моделирование динамики охлаждения кабелей 92
3.1 Общее описание и план работ по моделированию 92
3.2 Моделирование сопряжённой задачи с естественной конвекцией 94
3.2.1 Температура в кабеле 94
3.2.2 Моделирование естественной конвекции 96
3.2.3 Моделирование многофазного потока 99
3.2.4 Уточняющие расчёты 103
3.2.4.1 Геометрия кабелей 103
3.2.4.2 Объёмная доля водяных капель 105
3.2.4.3 Коэффициенты теплообмена при орошении кабелей 106
3.3 Численное моделирование 107
3.3.1 Моделирование охлаждения горячего воздуха 107
3.3.2 Моделирование охлаждения кабеля в холодном воздухе 110
3.3.3 Моделирование охлаждения кабелей в смеси газов 123
3.4 Охлаждение в многофазном потоке 129
3.4.1 Определение скорости осаждения капель 129
3.4.2 Граничные условия многофазной модели 131
3.4.3 Моделирование охлаждения в «водяном тумане» 132
3.4.4 Моделирование охлаждения мелкодисперсной водой 139
3.4.5 Охлаждение крупнодисперсной водой 146
3.5 Источники погрешностей 155
Глава 4 Обобщение результатов работы и практическая реализация 156
4.1 Общие выводы по результатам проведённого анализа, лабораторных исследований, натурных испытаний и моделирования 156
4.2 Рейтинг эффективности огнетушащих веществ для пожаротушения кабельных сооружений 159
4.3 Реализация результатов работы на примере АУПТ КС «Туман» 168
Выводы 169
Список литературы 170
Приложение 1 Акты внедрения 178
Приложение 2 Технические условия по проектированию комбинированных установок пожаротушения в кабельных сооружениях 181
Приложение 3 Методические рекомендации по проектированию АУПТ КС-MI 191
- Горючесть электрических кабелей
- Методика проведения испытаний
- Моделирование охлаждения кабеля в холодном воздухе
- Рейтинг эффективности огнетушащих веществ для пожаротушения кабельных сооружений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Анализ отечественных и зарубежных статистических данных показывает, что в настоящее время нет другой более опасной технической причины возникновения пожаров, чем аварийные режимы электроустановок, и в частности короткие замыкания (далее КЗ) и перегрузки в электросетях.
Одним из наиболее опасных электротехнических объектов являются кабельные сооружения, так как пожары в кабельных сооружениях ежегодно приносят около 25% всех убытков общего числа пожаров на электротехнических объектах. Пожары в кабельных сооружениях представляют серьёзную опасность, сопровождаются крупным материальным ущербом, а тушение пожаров в кабельных сооружениях является сложной тактической задачей для подразделений пожарной охраны. На сегодняшний день не имеется достаточно объективных данных, отражающих вопросы пожаротушения кабельных сооружений различными огнетушащими веществами (далее - ОТВ), такими как порошок, тонкораспылённая вода, пена и др.
Исследования и эксперименты по пожаротушению кабельной продукции различными ОТВ проводились по различным методикам, в связи с чем возникает сложность получения обобщённых данных для формулировки единой концепции тушения кабелей. В полной мере не исследовался прогрев кабеля изнутри от токопроводящей жилы и, соответственно, вероятность повторного воспламенения после окончания подачи ОТВ.
Изложенное выше свидетельствует о необходимости продолжения исследований, связанных с разработкой научных основ, моделей и методов исследования процессов горения и пожаротушения электрических кабелей, новых средств и методов тушения пожаров в кабельных сооружениях, а также методологических основ и нормативных положений для создания требований к средствам пожаротушения кабельных сооружений различными ОТВ.
Таким образом, целью работы является исследование и разработка средств и методов тушения пожаров в кабельных сооружениях, определение нормативных показателей подачи ОТВ, их зависимостей от различных факторов, а также получение рейтинга эффективности ОТВ для пожаротушения кабелей.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
проанализировать существующие типы кабелей, кабельных сооружений, средств пожаротушения и установок, применяемых для их защиты, а также практический опыт пожаротушения;
разработать стенд и методику для экспериментального исследования в лабораторных условиях процесса пожаротушения кабелей различными ОТВ, учитывающие прогрев кабеля изнутри;
экспериментально определить нормативные показатели подачи ОТВ и получить зависимости этих показателей от различных факторов;
на основании результатов проведённых лабораторных экспериментов определить процессы, подлежащие моделированию, и разработать физическую модель этих процессов;
разработать стенд и методику для проведения натурных испытаний с целью подтверждения результатов моделирования и лабораторных экспериментов, провести испытания;
- обобщить результаты экспериментальных исследований и моделирования
для выявления ключевых факторов, влияющих на процесс пожаротушения
кабелей различными ОТВ, и получить рейтинг эффективности ОТВ.
Объектом исследования являются электрические кабели, кабельные сооружения, а также средства, применяемые для их пожаротушения.
Предметом исследования являются закономерности процесса пожаротушения кабелей различными ОТВ, а также факторы, влияющие на этот процесс с момента начала подачи ОТВ до момента ликвидации пламенного горения и исключения вероятности воспламенения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Сформулирована и решена задача по исследованию процесса
ликвидации пламенного поверхностного горения кабельной продукции
с учётом предварительного прогрева токопроводящей жилы кабеля.
-
Созданы модельный очаг и экспериментальные стенды, разработана обобщённая методика экспериментальных исследований.
-
Предложена физическая модель охлаждения кабеля до безопасной температуры после ликвидации пламенного поверхностного горения различными ОТВ, имеющая достаточную сходимость с результатами экспериментальных исследований. Данная модель позволяет выполнить оценку показателей подачи и эффективности различных ОТВ.
-
Рассмотрен процесс образования водяной плёнки на поверхности «потушенного кабеля» в зависимости от дисперсности водяных капель, а также продолжительности охлаждения кабеля в двухфазной среде (вода и воздух).
5. Установлены значения показателей подачи различных ОТВ,
необходимые как для ликвидации пламенного поверхностного горения, так и
для охлаждения прогретого после пожара кабеля до безопасной температуры.
Достоверность полученных результатов достигалась:
значительным объёмом проведённых теоретических и экспериментальных исследований;
корректностью разработанной физической модели процесса охлаждения кабеля с использованием известных положений фундаментальных наук (термодинамики и теплопередачи), её адекватностью изучаемым процессам;
подтверждением результатов исследований натурными испытаниями;
практическим внедрением полученных результатов.
Практическая ценность работы состоит в том, что благодаря предложенной в диссертации обобщённой методике экспериментальных исследований, в основу которой положены унифицированный алгоритм, модельный очаг пожара и специфические условия подачи ОТВ в зависимости от способа пожаротушения (поверхностный и объёмный), стало возможным расставить эти ОТВ по рейтингу их эффективности применительно к реальным пожарам в кабельных сооружениях.
Рейтинг эффективности ОТВ для пожаротушения кабельных сооружений составлен с учётом ликвидации пламенного поверхностного горения (1-я стадия) и охлаждения кабеля до безопасной температуры с целью исключения возможности повторного воспламенения (2-я стадия).
В соответствии с составленным рейтингом разработаны оптимальные показатели подачи для ликвидации пламенного горения и последующего охлаждения для автоматических установок пожаротушения конкретного конструктивного исполнения, в частности, для автоматической установки комбинированного пожаротушения (порошок и вода).
Материалы диссертации реализованы:
- при проведении исследовательских работ по разработке автоматической
установки комбинированного пожаротушения в кабельных сооружениях АУПТ
КС «Туман» (Московская область, г. Реутов, Научно-техническое объединение
«Пламя»; Московская область, г. Балашиха, ФГБУ ВНИИПО МЧС России);
при разработке «Технических условий по проектированию комбинированных установок пожаротушения в кабельных сооружениях», а также «Методических рекомендаций по проектированию АУПТ КС-М1» (Московская область, г. Реутов, Научно-техническое объединение «Пламя»; Московская область, г. Балашиха, ФГБУ ВНИИПО МЧС России);
- внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Академии ГПС МЧС
России» при изучении дисциплины: «Производственная и пожарная
автоматика» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «Академия ГПС МЧС России»);
внедрены и используются в части обоснования применения автоматических установок пожаротушения тонкораспылённой водой для защиты кабельных сооружений АЭС в ОАО «Концерн Росэнергоатом». Основные результаты работы были доложены на:
- Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России -
исследования, управление, опыт» (Московская область, г. Балашиха, ФГБУ
ВНИИПО МЧС России, 2004 г.);
- 19-й научно-практической конференции «Пожарная безопасность
многофункциональных и высотных зданий и сооружений» (Московская
область, г. Балашиха, ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2005 г.);
- 2-й международной научно-технической конференции «Пожаротушение:
проблемы, технологии инновации» (Москва, ФГБОУ ВПО «Академия ГПС
МЧС России», 2013 г.).
На защиту выносятся:
обоснование двухстадийности процесса пожаротушения нагретых кабелей, обусловленная необходимостью подавления пламенного горения и охлаждения аварийной жилы кабеля до безопасной температуры;
методика проведения экспериментов по пожаротушению кабелей различными ОТВ;
экспериментальные результаты по определению эффективности пожаротушения нагретых кабелей различными ОТВ;
- результаты моделирования процесса охлаждения перегретых кабелей
в различных ОТВ после ликвидации горения;
- обоснование рейтинга эффективности различных ОТВ с учётом
двухстадийности процесса пожаротушения кабельных сооружений.
схема установки комбинированного пожаротушения кабельных сооружений АУПТ КС «Туман».
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 7 научных работ.
Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 177 страницах машинописного текста, включает в себя 20 таблиц, 100 рисунков, список использованной литературы из 95 наименований. Приложения занимают 59 страниц.
Горючесть электрических кабелей
В работе [28] рассмотрена принципиальная схема горения потока кабелей при зажигании его от постороннего источника (рис. 1.1). В этой схеме мощность источника зажигания Qo расходуется на нагрев участка кабельной прокладки до температур, при которых горючие материалы в конструкции кабеля подвергаются пиролизу. Мощность, потребляемую для нагрева участка кабелей и процесса пиролиза, обозначим через Q\. При пиролизе органических материалов для электрической изоляции, оболочек и защитных покровов выделяются три основные группы компонентов: негорючие газы (С02, НС1, Н20), твёрдый негорючий остаток (шлак, металлы, зола) и группа горючих газов (водород, окись углерода, метан, этан и другие углеводороды). Горючие газы, образующиеся в процессе пиролиза, сгорают с выделением теплоты мощностью Q% , часть которой идёт на разогрев и пиролиз прилегающего к источнику зажигания участка кабельной прокладки, что вызывает распространение горения по длине кабелей. Данный процесс характеризуется образованием обратной тепловой связи, то есть подводом теплоты от сгорания газообразных продуктов пиролиза для нагрева и последующего пиролиза соседних участков кабелей [27].
Условие распространения горения по кабельной прокладке можно записать в виде следующего соотношения: где Qlu - мощность тепловых потерь, Дж.
Для разрыва тепловой обратной связи необходимо, чтобы количество теплоты, подведённой к соседнему с очагом горения участку кабелей, было недостаточным для его нагрева и пиролиза горючих материалов. Условие нераспространения горения (условие локализации пожара) запишем аналогично уравнению (1.1), изменив знак неравенства:
Проанализируем составляющие тепловых потоков, входящие в уравнения (1.1) и (1.2). Количество теплоты, выделяющееся при горении кабелей в результате сгорания газообразных продуктов пиролиза Q2, определяется суммарной теплотой сгорания горючих материалов кабелей: где 7, - теплота сгорания конструкционных горючих материалов кабеля (изоляция, оболочка, защитный покров), Дж/кг; /и, - масса горючих материалов на единицу длины кабеля, кг; N- количество кабелей в потоке.
Большое влияние на теплоту сгорания и, соответственно, на тепловыделение кабеля при горении оказывают химический и композиционный составы материалов, применяемых в конструкциях кабелей.
Количество теплоты, рассеиваемое при горении кабелей в окружающее пространство Q2„, в большой степени зависит от количества кабелей, вида и способа их прокладки, расстояния между кабелями угла наклона кабелей к горизонтальной плоскости и некоторых других факторов, характеризующих конвективный теплоотвод. Наилучшие условия теплоотвода наблюдаются при горении горизонтально расположенного кабеля. При горении кабельного потока наблюдается взаимный подогрев кабелей и, как следствие, снижение теплового потока рассеивания Qla. Последнее обстоятельство создаёт предпосылки для распространения горения по длине кабельной прокладки. Совместный подогрев кабелей при групповой прокладке значительно зависит от расстояния между кабелями (рис. 1.2). При малых расстояниях группа кабелей ведёт себя как единая конструкция (одиночный кабель); при расстояниях свыше 1,5с/ (d - диаметр кабеля) взаимное тепловое влияние снижается в результате роста теплового потока рассеивания. Наиболее благоприятные условия для распространения горения наблюдается при расстоянии между кабелями 0,5d и вертикальном расположении потока.
Количество теплоты, требуемое для нагрева кабелей и пиролиза горючих материалов Q,, определяется термическими характеристиками конструктивных элементов кабеля и видом материала. Источником нагрева кабеля в данном случае являются газообразные продукты пиролиза. Передача теплоты от пламени к наружной поверхности кабеля осуществляется излучением и конвекцией. Термическое сопротивление теплопереходу на границе «пламя-кабель» на единицу длины кабеля может быть представлено зависимостью где h - суммарный коэффициент теплопереноса излучением и конвекцией; D - наружный диаметр кабеля, м.
Распределение температуры во времени внутри кабеля определяется цепочкой термических сопротивлений элементов кабеля (подушка, оболочка, изоляция), а также теплоёмкостью элементов кабеля и продольными термическими сопротивлениями металлических элементов [28-32].
Схему, представленную в данной работе [28], описание процессов возникновения и развития горения, а также прогрева кабелей при пожаре, необходимо учитывать при рассмотрении вопросов пожаротушения и охлаждения кабелей, но при этом целесообразно было бы рассматривать в качестве источника зажигания токопроводящую жилу, а не внешний источник тепла.
Методика проведения испытаний
Для проведения лабораторных экспериментов по пожаротушению кабелей газовыми (аэрозольными) огнетушащими составами разработана экспериментальная установка (рис. 2.7), в основе которой лежит модельный очаг (поз. 1 рис. 2.7), описанный в разделе 2.1.1, который располагается в металлической камере (поз. 4) с двухстворчатыми дверями. Размеры камеры следующие: длина - 0,7 м, ширина - 1,3 м, высота — 2,2 м (коэффициент негерметичности камеры - не более 0,001). В камере имеется отверстие с заглушкой для вноса фитиля (поз. 7) с целью определения наличия огнетушащей концентрации газа (аэрозоля). Для подачи газа (аэрозоля) используются насадок и шланг к баллону (поз. 6) или генератор огнетушащего аэрозоля с электропуском (поз. 2,3).
Горючая жидкость для розжига наливается в противень (поз. 5) размерами 500x1000 мм, глубина противня 100 мм. При проведении эксперимента измеряются температуры пламени и ТЭН при помощи термоэлектрических преобразователей (термопар) типа ТХА, прибора МИТ-40 (поз. 8) для преобразования сигнала от термопар типа ТХА, компьютера для регистрации значений температуры (поз. 9), получаемых с МИТ-40. Для определения массы отрезков кабелей до и после эксперимента и оценки последующей массовой скорости выгорания используются весы. Весы с пределами измерения до 5 г, диапазон измерения 0-10 кг для определения массы вышедшего из баллона газа также используются весы с пределом измерения 50 г диапазон измерения 0-200 кг. Также для измерения необходимы: линейка для определения длинны отрезка модельного кабеля, секундомер для контроля времени свободного горения, времени ликвидации горения и времени охлаждения кабеля, манометр для измерения давления в баллоне.
Эксперименты проводятся в следующем порядке. Сначала производится включение прибора МИТ-40 для регистрации температуры. Далее осуществляется подача напряжение на ТЭН. После этого производится зажигание горючей жидкости в противне при помощи фитиля. В качестве горючей жидкости используется бензин или гептан. После выгорания горючей жидкости и 60±20 с свободного горения кабелей производится снятие напряжения с ТЭН. Время с момента зажигания горючей жидкости до момента снятия напряжения с ТЭН для всех экспериментов составляет в среднем 240±30 с. Через 10 с производится подача подачи газа (аэрозоля) путём открытия шарового крана или электропуском генератора. Открытие камеры производится после остывания ТЭН до 250 С. На протяжении эксперимента с интервалом 2 мин заносится фитиль в камеру. Моменты ликвидации горения и охлаждения до 250 С фиксируются дополнительно секундомером.
Характерные кривые температуры во времени при пожаротушении газом, полученные с МИТ-40, обработанные в Microsoft Excel, приведены на рисунке 2.8.
На основании анализа результатов экспериментов по пожаротушению модельного очага различными ОТВ разработана методика проведения натурных экспериментов по пожаротушению кабелей комбинированным способом, а именно последовательная подача двух ОТВ: сначала порошок, а затем ТРВ с диаметром капли 70-100 мкм.
Данная комбинация и последовательность подачи ОТВ выбрана с точки зрения наибольшей эффективности, под которой в данной работе понимается одновременное выполнение трёх условий:
- минимальное время ликвидации горения;
- минимально время охлаждения токопроводящей жилы после ликвидации горения, для исключения возможности повторного воспламенения;
- минимальный удельный расход ОТВ.
Целью данных экспериментов является определение интенсивности подачи, времени подачи порошка и ТРВ, интервал задержки подачи воды после подачи порошка, необходимые для ликвидации горения и исключения возможности повторного воспламенения кабелей, а также натурное подтверждения результатов экспериментов по пожаротушению модельного очага (раздел 2.1) на крупномасштабной модели (фрагмент кабельного туннеля).
При проведении используются отрезки кабелей (длина отрезков 4 ± 0,5 м) следующих марок (горючая нагрузка кабельной прокладки более 7 л/м):
- АСБл 3x150;
- АВВГ 4x95;
- ТППэп 50x2x0,4.
Для проведения экспериментов по тушению кабелей комбинированным способом (порошок и вода) разработана экспериментальная установка (рис. 2.11), в основе которой лежит модельный очаг (поз. 1 рис. 2.11), описанный в разделе 2.1.1, который располагается в металлической камере (поз. 5) с двухстворчатыми дверями. Дополнительно для лучшей имитации пожара кабели уложены на специальных стойках (поз. 7). Камера имеет следующие размеры: длина -4 м, ширина - 2,6 м, высота - 2,4 м. Для подачи порошка используются модули пожаротушения порошком и ТРВ (поз. 2), трубопроводы для транспортировки порошка и воды (поз. 3), насадки для выпуска порошка и оросители для подачи ТРВ (поз. 4).
Горючая жидкость для розжига наливается в противни (поз. 6) размерами 500 2000 мм, глубина противней 100 мм. При проведении эксперимента измеряются температуры пламени и ТЭН при помощи термоэлектрических преобразователей (термопар) типа ТХА, прибора МИТ-40 для преобразования сигнала от термопар (поз. 8), компьютера для регистрации значений температуры (поз. 9), получаемых с МИТ-40.
Для определения массы отрезков кабелей до и после эксперимента и оценки последующей массовой скорости выгорания используются весы. Весы с пределом измерения до 5 г, диапазон измерения 0-10 кг. Также используются весы с пределами измерения до 50 г, диапазон измерения 0-200 кг, которые предназначены для определения массы порошка и воды до и после эксперимента и последующей оценки интенсивности подачи.
Также для измерения необходимы: линейка для определения длинны отрезка модельного кабеля, секундомер для контроля времени свободного горения, времени ликвидации горения и времени охлаждения кабеля, манометр для измерения давления в баллонах (модулях).
Эксперимент проводится в следующем порядке. Сначала производится включение прибора МИТ-40 для регистрации температуры. Далее осуществляется подача напряжение на ТЭН. После этого производится зажигание горючей жидкости в противнях при помощи фитиля. В качестве горючей жидкости используется бензин или гептан. После выгорания горючей жидкости и 60±30 с свободного горения производится снятие напряжения с ТЭН путём выключения из розетки д. Время с момента зажигания горючей жидкости до момента снятия напряжения с ТЭН для всех экспериментов составляет в среднем 240±30 с. Через 10 с производится подача подачи порошка путём электропуска модуля пожаротушения, через 5 с производится подача воды. Открытие камеры производится после остывания ТЭН до 250 С. Моменты ликвидации горения и охлаждения до 250 С фиксируются дополнительно секундомером.
Моделирование охлаждения кабеля в холодном воздухе
Моделирование охлаждения кабеля в воздухе проходит посредством решения связанной задачи теплообмена, то есть разрешения уравнений Эйлера для однофазного сжимаемого газа (3.9)—(3.13), которое связано с уравнением теплопроводности (3.1) через граничные условия, заданные по энергии уравнениями (3.2) и (3.14), а по импульсам - граничным условием типа стенка и/= 0. Коэффициент теплообмена «кабель-воздух» вводится в соответствии с уравнением (3.19).
Расчётная область в данном случае состоит из двух зон (рис. 3.6): цилиндрический кабель и прямоугольная область, заполненная охлаждающей средой (воздухом). Область дискретизирована 0,5-мм регулярными расчётными объёмами, расчётная сетка изотропна. Размер ячейки выбран, исходя из изучения сходимости на сетках разной размерности: 0,5 мм - наиболее оптимальный как с точки зрения вычислительных затрат, так и с точки зрения стабильности решения.
1) Периферия модели - граничное условие с заданным давлением (атмосферным). Нулевой градиент температуры.
2) Фронтальные плоскости - условие симметрии, т.е. рассчитанные значения параметров симметрично транслируются в аксиальном направлении относительно кабеля.
3) Интерфейс стенка кабеля - воздух. Описан в первом абзаце раздела.
Начальные условия:
1) Температура кабеля - 1323 К для медной жилы, 923 К для алюминиевой жилы и 723 К в случае валидационной точки (охлаждение 13-мм ТЭНа).
2) Температура окружающей среды приведена в соответствие протоколами испытаний - 303 К.
3) Нулевое поле скоростей воздуха.
В начале исследования модель была валидирована по экспериментальным данным остывания 13-мм ТЭН на воздухе. Результаты моделирования приведены на рисунке 3.7 в виде графика зависимости среднеобъёмной температуры кабеля от времени. Как следует из графика, модель переопределяет экспериментальные данные со средним расхождением в 11%, которая объясняется применением эквивалентных теплофизических характеристик кабеля.
Чувствительность модели по отношению к потоку тепла, который теряется с лучистым теплообменом (второй член уравнения (3.2)) иллюстрируется на рисунке 3.8, который отображает график зависимости температуры медного провода 1 2,5 от времени. Из рисунка следует, что модель, которая не учитывает лучистый теплообмен, переопределяет время остывания кабеля до искомой температуры почти в два раза. Это позволяет сделать вывод, что теплообмен за счёт излучения сравним по величине с тепловым потоком, снятым естественной конвекцией. Оранжевая линия на графике соответствует модели без учёта лучистого теплообмена, красная - с учётом.
Рисунки 3.9-3.11 представляют контурные графики температуры кабеля и окружающей среды для провода 1x2,5 с алюминиевой жилой на 10, 30 и 50 с процесса. Из графиков следует, что конвективный тепловой след образуется за счёт прогрева воздуха от кабеля. В то же время по мере остывания кабеля, нагревание воздуха снижается, и длина следа уменьшается.
Этот же процесс, но в терминах векторов скорости воздуха у кабеля, рассмотрен на рисунках 3.12-3.14 для остывания провода 1x2.5 с алюминиевой жилой на 10, 30 и 50 с процесса. Векторные графики иллюстрируют процесс обтекания кабеля воздухом, поток симметричный, с максимальным абсолютным значением скорости 0,22 м/с. Как было сказано выше, по мере остывания кабеля, скорость рециркуляции уменьшается.
Коэффициент теплообмена кабеля с окружающей средой, усреднённый по площади теплообмена, приведён на рис. 3.16 как функция времени процесса для остывания 1x2,5 провода с алюминиевой жилой в воздухе. Теплообмен динамически увеличивается за счёт остывания окружающего воздуха, т.е. увеличения его плотности.
Динамика остывания аналогичного медного провода приведена рисунке 3.17, из которого следует, что в случае использования медной жилы время остывания существенно больше, поскольку начальная температура выше в этом случае, а масса больше.
Кабель типа АСБл 3x150 по своим геометрическим размерам существенно больше как ТЭН, так и медных проводов. Таким образом, равномерность конвекции на его поверхности может быть нарушена под действием нестабильностей типа Рэлея, что приводит в асимметрии контуров температуры, приведённых на рисунках 3.18-3.20 для кабеля с медными жилами при охлаждении в воздухе, на 200, 400 и 800 с процесса. Ближайший физический аналог данного явления - осцилляция пламени свечи при его прогорании.
В целом динамика охлаждения аналогична, описанной для тонких проводов, но характеристические времена процесса десятикратно превышают рассмотренные выше за счёт того, что кабель по массе существенно больше.
Нестабильность охлаждающего потока наглядно отображена на рисунках 3.21-3.23, на которых показаны векторные графики поля скоростей потока вокруг кабеля СБл 3х 150 с медной жилой, на 200, 400 и 800 с процесса. За счёт более сильного прогревания и больших размеров кабеля конвекционные токи в данном случае выше по своему абсолютному значению. Так же, как и в описанном выше примере с односоставным кабелем, абсолютные значения скорости уменьшаются по мере его остывания.
Динамика охлаждения кабелей СБл с медной и алюминиевой жилами на воздухе представлена на рисунках 3.24-3.25.
Они отображают очевидный факт, который состоит в том, что остывание алюминиевого кабеля до интересующей температуры происходит быстрее в силу того, что его масса (и соответственно теплоёмкость) в данном случае ниже и первоначальная температура почти вдвое ниже. Форма динамических кривых в обоих случаях близка к гиперболической.
Итоговые результаты моделирования охлаждения на воздухе сведены на рис. 3.26 и в табл. 3.4, которые отображают время остывания кабеля в зависимости от его типа и материала жилы. Результаты моделирования сравниваются с данными, полученными на основе экстраполирования эмпирики.
Самое быстрое остывание наблюдается для самого малогабаритного кабеля с алюминиевой жилой, самое медленное - для кабеля СБл 3x150 с медными жилами. Максимально расхождение с экспериментом - 16%.
Рейтинг эффективности огнетушащих веществ для пожаротушения кабельных сооружений
Процесс пожаротушения кабелей, как уже отмечалось ранее, должен состоять из стадий ликвидации пламенного горения и охлаждения кабеля. В связи с этим необходимо оценить эффективность различных ОТВ на каждой из стадий процесса пожаротушения кабелей и построить соответствующий рейтинг эффективности.
Критерии получения рейтинга эффективности описаны ниже.
При оценке эффективности различных ОТВ, как правило, учитывается интенсивность и продолжительность подачи (нормативные показатели подачи) и соответственно общий удельный расход ОТВ. Для построения рейтинга ОТВ в данной работе учитываются нормативные показатели и общий удельный расход (далее - удельный расход) подачи ОТВ для каждой стадии процесса пожаротушения кабелей.
Для получения нормативных показателей подачи использованы результаты экспериментов и моделирования, а также выбрано «условное кабельное сооружение». Такое граничное условие было принято в связи с тем , что не представляется возможным оценить нормативные показатели подачи для всех типов и конфигураций кабельных сооружений.
Обоснование (критерии) выбора «условного кабельного сооружения»:
1 В качестве кабельного сооружения выбран кабельный туннель, так как он является наиболее распространённым сооружением, имеет большую протяжённость, высокую пожарную нагрузку (как правило, категории В1 и В2 по пожарной опасности), представляет сложность для пожаротушения как автоматическими установками, так и подразделениями пожарной охраны, о чем говориться в главе 1 настоящей работы.
2 Размеры сечения туннеля приняты 2,4x2,6 м (высота и ширина соответственно), так как они соответствуют размерам экспериментальных стендов. В них обеспечивается укладка кабелей с двух сторон. Количество полок для укладки кабелей - 7, расстояние между полками по вертикали - 0,25 м, ширина полки 0,5 м. Проход для людей между полками 1,4 м.
3 В качестве марки кабеля для «условного кабельного сооружения» принят кабель СБл 3x150, так как для данного кабеля по сравнению с другими, рассмотренными в настоящей работе, продолжительность охлаждения до безопасной температуры наибольшая.
Нормативные показатели подачи, необходимые для ликвидации пламенного горения, для газовых огнетушащих составов («Хладон 23»), аэрозольных огнетушащих составов (ЗАО «НПГ «Гранит-Саламандра»), воздушно-механической пены (пенообразователь марки ПО-6ТС производства ОАО «Ивхимпром») принимались в соответсвии с экспериментальными значениями и с учётом нормативных показателей подачи производителей, так как на процесс пожаротушения для объёмного способа такие факторы, как затенение и количество уровней укладки кабеле влияние не оказывают.
Значения времени удержания огнетушащей концентрации для газовых огнетушащих составов и время удержания пенного слоя определены на основании экспериментальных данных и моделирования и округлены в большую строну с целью обеспечения дополнительной безопасности для исключения повторного возгорания и обеспечения возможности прибытия подразделений пожарной охраны. Сводный график динамики охлаждения кабеля СБл 3x150, полученный на основе физической модели представлен на рисунке 4.2
Нормативные показатели подачи, необходимые для ликвидации пламенного горения в «условном кабельном сооружении», для порошковых огнетушащих составов, воды, ТРВ, «водяного тумана» принимались на основе экспериментальных данных (лабораторных экспериментов) с учётом количества уровней укладки и с учётом «затенения» вышележащими уровнями нижележащих. Для этого вводились поправочные коэффициенты (а именно для пожаротушения водой, ТРВ, «водяным туманом»). График для определения нормативных показателей подачи, необходимых для ликвидации пламенного горения, для воды, ТРВ и «водяного тумана» представлен на рисунке 4.3. Для порошка поправочные коэффициенты не вводились, так как лабораторные эксперименты проводились с количеством уровней укладки - 5. После определения данных нормативных показателей подачи они были подтверждены натурными испытаниями.
Пунктирными линиями на графике обозначены критические интенсивности подачи, определённые по результатам экспериментов (см. главу 2).
Как видно из графика критические (минимальные) интенсивности подачи составляют соответственно для:
- воды - 0,04 л/(см2);
- ТРВ - 0,03 л/(см2);
- «водяного тумана» - 0,02 л/(схм2).
В связи с тем, что в модельном очаге принимались 3 уровня укладки кабелей, а в «условном кабельном сооружении» - 7 уровней необходимо ввести поправочный коэффициент - 2,5.
Итого получаем интенсивность подачи (с округлением в большую сторону до сотых) для:
- воды-0,1 л/(см2);
- TPB - 0,08 л/(см2);
- «водяного тумана» - 0,05 л/(см ).
В соответствии с графиком, представленным на рисунке 4.3 получаем следующие продолжительности подачи для:
- воды - 105 с;
- ТРВ - 140 с;
- «водяного тумана» - 180 с.
Учитывая то обстоятельство, что чем крупнее капля воды тем меньшее количество попаданий капель на единицу поверхность кабеля (как показано на рисунке 4.1), а также принимая во внимание наличие «затенения», необходимо увеличить время подачи (для обеспечения гарантированного пожаротушения), за исключением «водяного тумана», так как для данного ОТВ «затенение» практически не оказывает влияния.
Нормативное время подачи (ликвидация горения) будет составлять для:
- воды - 300 с;
- ТРВ-240 с;
- «водяного тумана» - 180 с.
В качестве значений интенсивности подачи воды, ТРВ и «водяного тумана» для охлаждения кабелей приняты значения критической интенсивности, необходимой для тушения модельного очага в соответсвии с рисунком 4.2. Это объясняется тем, что необходимо обеспечить пожаротушение при возникновении локальных вспышек (повторных воспламенений), которые наблюдались в первые 30 с начала подачи «водяного тумана» на охлаждение после ликвидации горения порошком при проведении крупномасштабных испытаний комбинированного способа пожаротушения. Это может быть связано с выходом на рабочий режим установки и неравномерностью подачи ОТВ.
Значения продолжительности подачи воды, ТРВ, «водяного тумана» для охлаждения кабеля после ликвидации пламенного горения определены на основании экспериментальных данных и моделирования и округлены в большую строну с целью обеспечения дополнительной безопасности для исключения повторного возгорания, а также для обеспечения возможности прибытия подразделений пожарной охраны.
Рейтинг эффективности представлен ниже в виде таблиц 4.1 и 4.2.
