Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ в области порошкового пожаротушения 8
1.1. Огнетушащие порошки -
1.2. Лабораторные и полигонные методы испытаний 22
1.3. Средства подачи огнетушащих порошков 36
1.4. Постановка задач исследования 60
Глава 2. Экспериментально-расчетное определение критического диаметра частицы порошка 62
2.1. Расчет параметров газопорошковой струи -
2.2. Определение критического диаметра частицы порошка 68
Глава 3. Методики экспериментальных исследований 78
3.1. Задача экспериментальных исследований -
3.2. Методики определения технологических свойств экспериментальных образцов ОПС 79
3.3. Методика определения огнетушащей способности порошковых составов в лабораторных условиях 88
3.4. Методики полигонных экспериментальных исследований 90
3.5. Аппаратура и методика измерений 93
Глава 4. Экспериментальное изучение влияния свойств порошковых составов на их огнетушашую способность 99
4.1. Планирование эксперимента -
4.2. Результаты лабораторных экспериментов и их обработка 106
Глава 5. Полигонные испытания модулей порошкового пожаротушения 126
5.1. Планирование и методика экспериментов
5.2. Результаты полигонных экспериментов и их обработка 135
5.3. Методика выбора оптимальных свойств фосфорно-аммонийных порошковых составов, используемых в импульсном модуле порошкового пожаротушения и
определения его огнетушащей способности 142
Выводы 145
Список литературы
- Лабораторные и полигонные методы испытаний
- Определение критического диаметра частицы порошка
- Методика определения огнетушащей способности порошковых составов в лабораторных условиях
- Результаты лабораторных экспериментов и их обработка
Введение к работе
Научно-технический прогресс сопровождается ростом пожарной опасности на промышленных предприятиях, появлением в технологических процессах новых веществ и материалов, тушение возможных пожаров которых не может быть обеспечено с помощью таких традиционных веществ, как вода и пена. Особенно остро эта проблема стоит для химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности, а также для транспортных средств.
Поиски более эффективных веществ для тушения пожаров привели к созданию и внедрению в практику пожаротушения огнетушащих порошков. Порошковые составы вследствие высокой огнетушащей способности и универсальности все шире применяются для тушения пожаров. Однако эффективность огнетушащих порошков в значительной мере зависит от способа их подачи на тушение пожара.
В последнее время наиболее интенсивно развивается порошковое пожаротушение. Так, в середине 90-х годов прошлого века некоторые фирмы подошли к наиболее полному раскрытию возможностей огнетушащих порошков, использовав технологии импульсного пожаротушения применительно к объектам народного хозяйства. Предприятиями был разработан и в настоящее время серийно выпускается целый ряд модулей импульсного действия с объемом от 0,3 до 8 литров. Модули порошкового пожаротушения имеют более высокую огнетушашую способность, чем остальные порошковые средства. Данному факту есть научное объяснение. Как полагают авторы [1], при импульсной подаче огнетушащего состава в очаг горения, помимо обычного тушащего воздействия, масса огнетушащего состава оказывает дополнительное воздействие за счет своих кинетических параметров. Только посредством увеличения скорости порошковой струи можно в 2-3 раза повысить эффективность применения огнетушащего
порошкового состава для тушения пожаров, что и наблюдается в механизме действия импульсных модулей.
Технологические и эксплуатационные свойства огнетушащих порошков постоянно совершенствуются. Отметим, что для надежного функционирования модуля технические характеристики существующих на данный момент марок огнетушащих порошков не удовлетворяют в полной мере требованиям применительно к автоматическому порошковому пожаротушению. Установлено, что для обеспечения эффективного функционирования систем порошкового пожаротушения дисперсный состав применяемых порошков должен быть специально подобран в зависимости от техники, в которой он будет применяться, так как условия подачи импульсными модулями и модулями с трубопроводной системой подачи значительно отличаются. В этом, возможно, имеется значительный резерв в повышении эффективности порошкового пожаротушения. Научно-обоснованных требований к дисперсности порошка применительно к автоматическим системам также не существует.
Таким образом, потребители огнетушащих порошков, не имея в настоящее время инструмента оценки оптимального применения той или марки огнетушащего порошка, зачастую находятся в затруднительном положении и вынуждены самостоятельно проводить исследования для создания новых композиций применительно к своим изделиям или руководствоваться только ценой огнетушащего порошка, что не всегда отвечает требованиям надежности тушения.
Анализ результатов испытаний и теоретические исследования, проводимые во ВНИИПО 1993-1996 годах, позволили установить некоторые новые аспекты, связанные с газодинамикой тушения, в особенности важные для автоматического тушения локальных очагов, когда распылители установлены стационарно и, как правило, сверху. Так в процессе исследований выяснилось, что тушение горящего очага следует
рассматривать через призму взаимодействия двух струй. Одна струя формируется восходящими над очагом потоками и скорости в ней зависят от энергетики очага (его размера, вида горючего), другая, на нее воздействующая - газопорошковая. Было установлено, что при одних и тех же параметрах подачи порошка на очаг, например, сверху, при увеличении размера очага (росте скоростей восходящих потоков) тушение затруднялось и даже не достигалось из-за уноса (выдувания) частиц порошка.
Принимая во внимание обозначенные выше проблемы развития порошкового пожаротушения, целью настоящей работы будет являться разработка и научное обоснование композиций огнетушапщх порошков для использования их в импульсных модулях порошкового пожаротушения; а также обоснование оптимальных параметров подачи огнетушапщх порошков такими устройствами для наиболее эффективного их применения.
Для достижения поставленной цели ставятся и решаются следующие задачи:
обосновать необходимость оптимизации химического и дисперсного состава огнетушащих порошков для применения их в импульсных модулях порошкового пожаротушения;
разработать и исследовать новые композиции огнетушащих порошков для применения их в импульсных порошковых модулях;
-разработать лабораторную и полигонную методики проверки огнетушащей эффективности порошковых составов, применительно к импульсным модулям порошкового пожаротушения;
- установить зависимость огнетушащей способности порошковых
составов от их физико-химических свойств и параметров подачи
импульсными модулями.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений.
По материалам диссертации опубликовано пять статей, подано заявление о выдаче патента на изобретение.
Основные результаты работы доложены на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008 г.), а также опубликованы в следующих изданиях:
Сабинин О.Ю. Обоснование зависимости огнетушащей способности порошковых составов от их характеристик и параметров подачи импульсными модулями // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. — 2006. — №6. с. 126-132.
Грачев В.А., Сабинин О.Ю., Гуреев М.В. К вопросу измерения концентрации дисперсных частиц в нестационарном двухфазном потоке огнетушащего вещества // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2007. — №7. с.91-95.
Сабинин О.Ю., Агаларова СМ. Огнетушащие порошки. Проблемы. Состояние вопроса // Пожаровзрывобезопасность. - 2007. - №6. с.63-68.
Долговидов А.В., Сабинин О.Ю. Автоматические средства подачи огнетушащих порошков // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. - №1. с.62-67.
Сабинин О.Ю. Экспериментальное изучение влияния технологических свойств порошковых составов на их огнетушапгую способность при импульсном способе пожаротушения // Пожаровзрывобезопасность. - 2008. — №6.
Сабинин О.Ю., Долговидов А.В. Изучение зависимости огнетушащей способности порошков от их физико-химических свойств применительно к импульсному способу подачи // Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы Международной научно-практической конференции. - 4.2 - М.: ВНИИПО, 2008. - с.156-159.
Лабораторные и полигонные методы испытаний
Лабораторные методы, Огнетушащие порошки обладают рядом технологических и эксплуатационных свойств, основным из которых является их огнетушащая способность. Существует много методов определения огнетушащей способности порошков. Определение производят в лабораторных или в практических условиях. Лабораторные опыты по сравнению с практическими испытаниями имеют следующие преимущества: затраты на аппаратуру, горючее, подготовку опытов и их проведение невысоки. Кроме того, результат тушения получают быстрее, чем при практических исследованиях; благодаря тому, что можно обеспечить одинаковые условия при проведении опытов, достигается хорошая воспроизводимость результатов. Приведем обзор наиболее распространенных в различных странах методов лабораторных исследований. Подробный обзор этих методик можно найти в работах [24-26].
Метод Дюфресса. В вертикально установленном цилиндре высотой 20 см, диаметром 6 см, по оси которого размещена трубка с горящим светильным газом, подаваемым со скоростью 0,5 л-мин"1, снизу вверх с помощью потока воздуха нагнетают определенное количество порошка для тушения. Огнетушащую эффективность определяют по минимальному количеству порошка, достаточному для одного тушения. Эксперименты, проведенные на этой установке показали, что самыми эффективными оказались соединения калия, проверенные этими методами.
Метод Питерса. Для проведения этого метода используется сосуд (промывная склянка объемом 300 мл), который заполняют испытываемым порошком (70 г). Потоком воздуха со скоростью 40 л-мин"1 порошок подают на чашку диаметром 135 мм с 10 мл бензина. Огнетушащую эффективность определяют по числу возможных тушений указанным выше количеством порошка.
Метод Фридриха. С помощью вращающегося диска и скребка (рис. 1.3) определенное количество порошка, предварительно отсеянного до среднего размера частиц 0,044 мм, подается на пламя (высотой 5 см, шириной 1,7 см) газа, представляющего собой смесь водорода, светильного газа и окиси углерода. Порошок подается в виде порошкового облака. Прежде чем порошок достигнет пламени, он проходит через проволочное сито (ширина отверстия в свету 5,3 мм, толщина проволоки 1,6 мм). Количество порошка, достаточное для тушения пламени, считалось мерой огнетушащей эффективности.
С помощью метода Фридриха установлено, что огнетушащая эффективность бикарбоната натрия и кислого сульфата аммония с уменьшением величины частиц от 0,2 до 0,04 мм постоянно увеличивается. У кислого фосфата аммония огнетушащая эффективность возрастает по мере измельчения частиц от 0,2 до 0,09 мм, а затем с 0,09 до 0,04 мм она снова уменьшается.
Кроме того, определена также зависимость огнетушащей эффективности от химического состава порошков. Огнетушащая эффективность, например, повышается от фторидов к йодидам и от литиевых солей к солям рубидия. Содержащие кристаллизационную воду оксалаты показывают лучшую, чем безводные, эффективность тушения.
Метод Ли и Робертсона. Передвижной сосуд снабжен двумя тиглями диаметром около 2,5 см, которые медленно перемещаются под рассеивающим устройством. Один тигель служит для измерения массы использованного для тушения порошка, другой содержит горючее — горящий гептан. Наблюдение за процессом тушения осуществляется с помощью фотоэлемента (рис. 1.4). Используя метод Ли и Робертсона определялась огнетушащая эффективность NaHC03, КНСОз, К-оксалатаН20 и стеклянной пыли. Установлено количество порошка, необходимого для тушения. Доказано, что оксалат калия обладает самой высокой огнетушащей эффективностью.
Определено также, что огнетушащая эффективность зависит от величины частиц порошка и скорости его Рис. 1.5: Устройство для определения огнетушащей эффективности порошков по методу Дессарта и Маларме 1 - пирексовая трубка с горелкой; 2-устройство для воспламенения газа; 3 - кран и ротаметр; 4 - устройство для подачи газа к горелке; 5 - линия изобутана; б — манометр; 7 - устройство для подачи порошка; 8 - кран; 9 - линия азота; 10 - вентилятор; 11 - регулятор подачи сжатого воздуха с водяным манометром; 12 - инжектор воздуха подачи.
Метод Дессарта и Маларме. Установка (рис. 1.5) для осуществления этого метода по сравнению с ранее описанными имеет недостаток — трудность соблюдения постоянными условий опытов.
В опытах соблюдались следующие условия испытаний: расход воздуха в стеклянной трубке (62 м -ч" при 25 С и 760 мм рт. ст.) регулировался и контролировался устройством, состоящим из крана и регулятора с водяным манометром; расход горючего газа (54 л-ч"1 промышленного бутана) регулировался и контролировался краном и ротаметром; подача порошка осуществлялась с помощью азота, подаваемого из стального баллона под давлением 1 атм. в количестве 1,2 л газа на один опыт.
После создания в установке заданных условий в изогнутую трубку инжектора вводили определенное количество огнетушащего порошка (с точностью до 0,1 г), подававшегося на газовое пламя через отверстие магнитного клапана, который открывал проход рабочему газу. Опыт повторяли семь раз с одинаковым количеством порошка.
Определение критического диаметра частицы порошка
Произведем расчет критического диаметра частицы порошка, т.е. определим, при каком минимальном среднем размере частиц порошка они будут проникать в зону горения. Как известно, при тушении на порошковую струю воздействуют восходящие конвективные потоки над очагом горения.
Определим их максимальную скорость. Согласно [41,42] максимальная скорость восходящих потоков определяется по формуле: =1,85-б"5 (2.11) где: Q — тепловая мощность пожара, кДж/с. Тепловая мощность пожара может быть определена по следующей формуле: массовой скорости выгорания горючего, низшей теплоте сгорания QH и площади пожара S: Q = mQ„S (2.12) где: т — массовая скорость выгорания горючего, кг/(м -с); QH -низшая теплота сгорания, кДж/кг; S — площадь модельного очага пожара. Подставляя в формулы (2.11-2.12) справочные данные [43] по октану и характеристики лабораторной установки, вычисляем: скорость восходящих потоков над модельным очагом пожара достигает максимального значения (овосх = 3,12 м/с. При тушении восходящие потоки газов и газопорошковая струя перемещаются навстречу друг другу. Таким образом, частицы огнетушащего порошка достигнут зоны горения модельного очага пожара, если выполнится следующее условие: ЯфХОеос (2-!3) Т.е., газопорошковая струя на расстоянии от распылителя, соответствующем зоне горения модельного очага пожара, должна иметь скорость, превышающую максимальную скорость восходящих газовых потоков над очагом горения.
Таким образом, задачей расчета является нахождение среднего диаметра частиц порошка, при котором скорость газопорошковой струи в зоне горения модельного очага пожара равна 3,12 м/с. Из формулы (2.4) видно, что скорость фронта газопорошковой струи зависит от угла ее расширения на начальном участке. Тангенс половины угла расширения газопорошковой струи на начальном участке определяется по формуле (2.9). Коэффициент 0,119 в выражении (2.9) не является постоянным и зависит от среднего диаметра частиц порошка. Обозначим данный коэффициент как к}. В работе [38] показано, что для порошка ПСБ-3 к] = 0,119; для порошка ПСБ-2 — к} — 0,102. Определим зависимость коэффициента к] от среднего диаметра частиц порошка dn. Для этого произведем рассеивание серийного порошка «Вексон АВС-70» на приборе модели 028М, описанном в разделе 3.2 настоящей работы. При рассеивании использовали сита с диаметром ячеек 100 мкм, 63 мкм, 50 мкм и 25 мкм. Произведем цифровую съемку порошковых струй, подаваемых лабораторной установкой, фракций 100-63 мкм, 63-50 мкм, 50-25 мкм, для определения их геометрических параметров. Цифровая съемка производилась при значении расхода воздуха 7 л/мин (рис. 2.5-2.7). Средний диаметр частицы порошка для фракции 100-63 мкм равен 81,5 мкм; для фракции 63-50 мкм - 56,5 мкм; для фракции 50-25 мкм - 37,5 мкм.
Определяя по рис. 2.5-2.7 углы расширения порошковой струи по формуле (2.9) вычисляем коэффициент к] для лабораторной установки: при d„ = 81,5 мкм kj = 0,0526; при dn = 56,5 мкм к\ = 0,0778; при d„ = 37,5 мкм к} = 0,1044.
Для подтверждения полученных данных в полигонных условиях, огнетушащим порошком указанных фракций снаряжали импульсный порошковый модуль «Буран-0,3» и производили цифровую съемку истекающей порошковой струи (рис. 2.8-2.10). Для полигонных условий по формуле (2.9) получены следующие значения коэффициента к\. при dn = 81,5 мкм = 0,0592; при dn = 56,5 мкм kj = 0,0826; при d„ = 37,5 мкм kj = 0,0996.
Методика определения огнетушащей способности порошковых составов в лабораторных условиях
При разработке экспериментальной лабораторной установки за основу была взята установка ВНИИПО, описанная в [15]. Преимущество данной установки над другими, описанными в аналитическом обзоре этой работы, состоит в том, что порошок на тушение модельного очага подается сверху, как и в большинстве случаев практического применения автоматических установок порошкового пожаротушения. Таким образом, моделируется процесс взаимодействия двух струй: газопорошковой и восходящих потоков газов над очагом горения. При этом мы можем в некоторой степени определить, какие образцы ОПС лучше преодолевают воздействие восходящих над очагом горения потоков. К тому же в данной установке порошок на тушение модельного очага пожара подается квазимгновенно, что наиболее приближенно моделирует работу импульсных порошковых систем.
На рис. 3.3 представлена схема лабораторной установки. Перед проведением опытов навеска огнетушащего порошка загружалась в стеклянный сосуд 5, снабженный сифонной трубкой и обратным клапаном. В круглый противень 7, диаметром 70 мм и высотой борта 10 мм, заливалось 10 см3 октана. Далее октан зажигался и свободно горел в течении 60 сек. По истечении
Схема лабораторной установки по определению огнетушащей способности порошков 1 - распылитель порошка; 2 металлический противень; 3 - датчик концентрации. газопорошковой струи на высоте 0,22 м от модельного очага пожара (на расстоянии 0,18 м от распылителя) необходимо провести эксперименты по определению скорости струи на различных расстояниях от распылителя. Для этого на определенных расстояниях от распылителя 1, как показано на рис. 3.4, размещаем датчики концентрации огнетушащего порошка 2, которые состоят из инфракрасного излучателя и фотодиода, жестко закрепленных на металлическом основании. При изготовлении датчиков за основу взято устройство, описанное в [36].
Принцип работы датчиков основан на ослаблении сигнала инфракрасного излучателя, падающего на фотодиод, с учетом затененности, создаваемой проходящем через них потоком дисперсных частиц. Данные датчики работают с вторичным прибором «Микролаб». Внешний вид датчика концентрации представлен на рис. 3.5, а прибора «Микролаб» - на рис. 3.6. Более подробное описание устройства и способа калибровки датчиков концентрации ОПС приведено во 2-ой главе настоящей работы. При прохождении газопорошковой струи датчиков 1 и 2 фиксируется соответственно время ті и т2. Период опроса датчиков составляет 10"3 с, что значительно меньше времени прохождения дисперсными частицами расстояния между двумя датчиками. Таким образом, обеспечивается высокая точность полученных результатов. Скорость газопорошковой струи определяется по отношению расстояния между датчиками / к интервалу времени Дт = Т2 - Ті:
Методики полигонных экспериментальных исследований
Основная часть экспериментальных работ проводилась с использованием установки, принципиальная схема которой представлена на рис. 3.7. Главным ее элементом является модуль порошкового пожаротушения МПП-0,3 1. Корпус модуля с одной стороны плотно закрыт разрывной мембраной 7 с нанесенными определенным образом насечками, по которым мембрана разрывается. В зависимости от глубины насечек мембраны изготавливаются на различное разрывное давление. С другой стороны корпуса вместо газогенерирующего элемента, применяющегося в серийно изготавливаемых модулях, присоединяется
Схема экспериментальной установки 1 - модуль порошкового пожаротушения МПП-0,3; 2 -манометр; 3 - редуктор; 4 - баллон со сжатым воздухом; 5 - вентиль; 6 - датчик давления; 7 -разрывная мембрана; 8 - металлическая трубка. металлическая трубка 8 для подачи сжатого воздуха. Так же установка состоит из стального баллона 4, в котором хранится сжатый воздух при давлении -250 атм.; редуктора J, соединенного с модулем МПП-0,3 1 посредством металлической трубки 8; датчика давления 6, встроенного в корпус модуля 1 и манометра 2. При открывании вентиля 5 воздух через понижающий до 20 атм. редуктор 3 поступает в металлическую трубку и далее в корпус модуля /. При повышении давления в корпусе 1 до разрывного давления мембраны, происходит ее вскрытие и подача порошково-воздушнои смеси на очаг горения. После этого вентиль 5 закрывается. Давление вскрытия мембраны и скорость нарастания давления фиксируется датчиком б и манометром 2.
Результаты лабораторных экспериментов и их обработка
По графикам, приведенным на рис. 5.6 определяем начальную скорость газопорошковой струи, которая составляет: при давлении вскрытия мембраны 1,5 МПа - 24 м/с; при давлении вскрытия мембраны 3,0 МПа - 42 м/с. Для проведения экспериментов используются: Испытательная камера (металлическая): площадь основания 2 м . Экспериментальная установка на основании модуля Мі Я 1-0,3.
Модельный очаг пожара класса 21В, представляющий собой круглый противень из листовой стали диаметром (917±10) мм, толщиной стенок 2,0 мм. Экспериментальные образцы огнетушащего порошка марки «Вексон-АВС». Бензин марки А-76. Весы лабораторные. Секундомер. Датчики концентраций огнетушащего порошка — 8 шт. Регистрирующий прибор «Микролаб».
При проведении испытаний модуль Ml 111-0,3 взвешивается до зарядки порошком и после зарядки, закрепляется в центре камеры на высоте 2 м. На полу испытательной камеры по центру под модулем устанавливается модельный очаг пожара класса 21В (см. рис. 5.3). В противень заливают 42 л воды, на слой воды наливают 21 л бензина. С помощью факела производят зажигание горючего в противне. Выдерживают время свободного горения в течении 60 с. Производят пуск модуля. Фиксируют результат тушения. После каждого опыта производят охлаждение противней до температуры ниже температуры самовоспламенения бензина и долив бензина до установленного объема.
Выходной фактор Y оценивали минимальной концентрации огнетушащего порошка, создаваемой в зоне горения. Результаты полигонных экспериментов и их обработка
Результаты экспериментов сведены в табл. 5.4, 5.5. Обработка результатов производилась с помощью экспериментальных планов 1-го порядка, используя компьютерную программу STATGRAPHICS Plus 5.0 и пакет анализа Microsoft Excel 2007.
Для сравнения результатов полигонных экспериментов с лабораторными по методике, описанной в 4 главе настоящей работы рассчитывали максимальную скорость восходящих потоков над используемым в полигонной установке модельным очагом пожара 21В совосх = 8,05 м/с. Скорость газопорошковой струи в зоне максимальных конвективных потоков определялась по графикам на рис. 5.6 и равнялась соответственно соф = 9,43 м/с при Рмсмбр =1,5 МПа и соф = 13,34 м/с при P,veM , = 3,0 МПа. Таким образом, получены следующие соотношения: соф/савосх — 1,171 при РМШбР = 1,5 и сОф/совосх — 1,657 при Рмембр = 3,0 МПа, что соответствует соответствующим соотношениям для лабораторных опытов. Исходя из выше сказанного, для проверки сходимости результатов лабораторных и полигонных опытов, сравнивали данные таблиц 4.5 и 5.5 для одинаковых диапазонов отношений сОф/совосх и одних и тех же образцов огнетушащего порошка. Полученные результаты полигонных экспериментов удовлетворительно согласуются с результатами лабораторных испытаний (максимальное расхождение 9,9%), что говорит о возможности применения эмпирических выражений из 4 главы для определения минимальной огнетушащей концентрации применяемого в импульсных модулях порошка.
При обработке полигонных экспериментов была выдвинута идея снаряжения модуля порошкового пожаротушения огнетушащими порошками различных фракций послойно. Благодаря такому способу зарядки модуля повышаются динамические характеристики истекающей из него струи огнетушащего порошка, при сохранении высокой огнетушащей способности данного модуля. На основе сделанных умозаключений в патентное ведомство России была подана заявка на изобретение (приложение 8).
На рис. 5.8-5.12 представлены результаты измерений полей концентраций огнетушащего порошка в динамике при срабатывании импульсного модуля. Анализируя полученные данные молено сделать вывод о том, что огнетушащая концентрация порошка в защищаемой зоне поддерживается в течение незначительного интервала времени (не более 0,3 сек) и этого достаточно для ликвидации горения, что подтверждает ранее сделанные выводы исследователей в области порошкового пожаротушения.
