Особенности тушения пламени высокодисперсными газоаэрозольными системами

Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета

А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета

удк 614.84.664

ОСОБЕННОСТИ ТУШЕНИЯ ПЛАМЕНИ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫМИ ГАЗОАЭРОЗОЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ

Показано, что отличительной особенностью аэрозоля по сравнению с порошками и распыленной водой является особенно высокая степень дисперсности его частиц. Показано также, что при тушении аварийных проливов или пламени в резервуарах необходимо соблюдать условие обеспечения флегматизации горючей смеси паров горючего с воздухом, при котором расход тушащего аэрозоля должен быть пропорционален скорости выгорания (испарения) жидкости. Рассмотрены способы охлаждения продуктов сгорания аэрозолеобразующих составов (АОС). Показано, что анализ тепломассообмена в зоне горения при тушении аэрозолями может быть выполнен двумя способами. Проведен анализ материального баланса огнетушащего аэрозоля по аналогии с описанным ранее для случая применения фреонов. Показано, что современные АОС представляют собой смесь полимерного связующего с неорганическим окислителем и что от вида последнего зависит технология и способ получения зарядов АОС. В качестве неорганического окислителя предложены нитрат калия, перхлорат калия и их смеси. Установлено, что при использовании смесевого окислителя (KN03 с КС1О4) наблюдается эффект синергизма. Приведен пример отрицательного воздействия огнетушащего аэрозоля на материалы.

Ключевые слова: аэрозоль; тушение аэрозолеобразующими составами; тепломассообмен в зоне горения.

Аэрозоль как средство тушения пожара начали активно применять в 90-е годы прошлого столетия. Привлекала простота хранения и использования аэрозолеобразующих составов (АОС) — твердых композиций, состав которых был хорошо отработан в области твердых топлив и порохов. Для образования аэрозоля применяют генераторы огнетушащего аэрозоля (ГОА), что позволяет обеспечить тушение или локализацию пожара еще до прибытия пожарных частей или сразу же по их прибытии, до завершения боевого развертывания [1, 2]. В течение 10 лет, начиная с 1992 г., появилось множество патентов с описанием различных модификаций генераторов огнетушащего аэрозоля [3-8], некоторые из которых [9] представлены на рисунке.

Наиболее эффективным оказалось использование аэрозольных генераторов в условиях, когда существует угроза для жизни пожарных. Поскольку забрасывание огнетушителей в горящее помещение осуществляется извне, то воздействие на человека опасных факторов пожара: температуры, задымления, угрозы обрушения, электрического напряжения и т. п. — существенно снижается или исключается совсем.

© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., 2014

В дальнейшем, с расширением области применения, выявились сложности в эксплуатации ГОА, в процессе работы которых выделяется аэрозоль с высокой температурой.

Отличительной особенностью аэрозоля по сравнению с порошками и распыленной водой является особенно высокая степень дисперсности его частиц. Вместе с дисперсной фазой в зону горения увлекаются и продукты окисления, а также азот.

Механизм тушения горючих жидкостей (ГЖ) аэрозольными составами основан на том, что в объеме создается необходимая огнетушащая концентрация аэрозоля, частицы которого отводят тепло из зоны горения за счет их нагревания, плавления и испарения. Для оценки интенсивности теплообмена в зоне горения необходим анализ процесса тепломассообмена. При анализе тепломассообмена в зоне горения при тушении ГОА необходимо учитывать, что температура частиц аэрозоля при выходе из ГОА близка к температуре плавления.

Как и в случае тушения пламени горючей жидкости порошком или распыленной водой при тушении аварийных проливов или пламени в резервуарах [10, 11], необходимо соблюдать условие обеспече-

Модификации генераторов огнетушащего аэрозоля

ния флегматизации горючей смеси паров горючего с воздухом, при котором расход тушащего аэрозоля должен быть пропорционален скорости выгорания (испарения) жидкости.

Если удельная скорость выгорания жидкости составляет и0, то для прекращения горения расход аэрозоля д (кг/с) должен быть не менее

д = и0 Sо фт /фг.

С учетом того что критическая интенсивность Укр = q/S0, получим:

Лр = и фт /фг.

Здесь ио — удельная скорость выгорания, кг/(м2-с);

Sn

,2.

площадь поверхности горения, м

фт — тушащая или флегматизирующая концентрация, которая определяется экспериментально или рассчитывается из теплового баланса интенсивности выделения и поглощения тепла в зоне горения, кг/м3;

фг — концентрация горючего в стехиометриче-ской смеси, кг/м3.

Возможны два способа охлаждения продуктов сгорания аэрозолеобразующих составов [3], каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Первый способ — внешнее охлаждение продуктов сгорания за счет их смешения с окружающим воздухом при выходе из генератора. Он не требует увеличения массы генератора, но имеет существенный недостаток, который связан с тем, что в зоне выпускных отверстий ГОА создается высокотемпературная зона. В ней происходит смешение продуктов сгорания с окружающим воздухом и, соответственно, их охлаждение, но этот процесс происходит не мгновенно, а постепенно, по мере удаления от ГОА. Второй способ — применение специальных блоков охлаждения, располагаемых перед блоком, в котором находится аэрозолеобразующий состав.

Если считать границей высокотемпературной зоны охлаждения расстояние от выпускных отверстий генератора до места, где температура потока снижается до приемлемого уровня (например, до 100 °С), то длина зоны охлаждения может составлять от не-

скольких сантиметров до 1,5 м в зависимости от характеристик горения аэрозолеобразующего состава, размера и количества выпускных отверстий, а также формы корпуса генератора, где они расположены [3, 12]. При подаче аэрозоля в зону горения он поступает туда вместе с парами, например, горючей жидкости и накапливается в объеме до достижения огнетушащей концентрации. По мере его накопления часть аэрозоля выносится из зоны горения вместе с продуктами сгорания.

Интенсивность теплообмена в зоне горения Q0 складывается из потока тепла от горящей паровоздушной смеси и скорости теплоотвода частицами аэрозоля, которые поглощают тепло за счет плавления и испарения:

Qо = Qн + Qпл + Qи,

где Qн, Qпл, Qи — интенсивность теплоотвода в зоне горения частицами аэрозоля нагреванием, плавлением и испарением (разложением) соответственно, Дж/кг.

Основным условием тушения пламени аэрозолем является допущение, что горение прекращается, если:

• снизить интенсивность выделения тепла в зоне горения в два раза, что может быть обеспечено за счет энергичного отвода тепла частицами аэрозоля благодаря исключительно высокой дисперсности;

• снизить скорость тепловыделения химической реакции горения за счет образования продуктов неполного сгорания (оксида углерода вместо углекислого газа);

• снизить скорость выгорания (испарения) горючей жидкости до минимальной величины, при которой образуется смесь горючего с воздухом с концентрацией ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ);

• разбавить горючую смесь продуктами термического распада до концентрации, в которой содержание горючего будет ниже НКПВ. Существуют и другие условия, ведущие к потуханию пламени, но все они связаны с нарушением цикла тепломассообмена, установившегося при горении. Проведение анализа тепломассообмена в зоне горения при тушении пламени аэрозолями возможно двумя способами. При первом принимается, что независимо от механизма тушащего действия потухание пламени происходит при достижении в газовой смеси стехиометрического состава концентрации, равной тушащей, которая определена по стандартизованной методике [1]. Полагая, что основной компонент продуктов сгорания в струе аэрозоля — оксид углерода, можно проследить процесс тушения пламени, например, при горении жидкости по механизму, аналогичному использованному при рас-

смотрении тушения пролива ЛВЖ инертными газами. Известно, что тушащая концентрация аэрозоля Фт при тушении смесей углеводородов с воздухом составляет около 15г/(м2-с), но не более 25 г/(м2-с).

Для определения расхода аэрозоля, обеспечивающего режим потухания, следует воспользоваться формулой (1).

Анализ материального баланса огнетушащего аэрозоля проведем по аналогии с описанным для случая применения фреонов [10].

Материальный баланс, включающий в себя процесс накопления и потерь аэрозоля, может быть представлен уравнением

ц ёт = 50 и0 ф ёт + 50 к ёф,

где ц — расход аэрозоля, кг/с;

т — время, с;

ф — концентрация аэрозоля, кг/м3;

к — высота зоны тушения, м.

Преобразование простейшего дифференциального уравнения дает формулу для расчета времени тушения тт при заданном расходе аэрозоля:

h 1

тт = —— ln

q

Uo I q - Uo ф

Перейдем к удельным величинам. Отношение ц/50 обозначим как J (где J — интенсивность), а и0 /50 — как Jкр. Перепишем формулу (5) с учетом новых обозначений:

J

Тт = — ln I т Uo I J - J,

При высокой скорости струи аэрозоля в зону тушения увлекается большой объем воздуха, что ведет к увеличению толщины тушащего слоя, а выражение (6), определяющее время тушения, приобретает уточненную форму:

т _ к0 ф 2 ^ + J _ 2 Jкр + J

тт _ ^--;-;- _ т0 -т-'

2 J„„ J - J,,

J - J,,

где к0 — высота зоны горения до начала тушения, м; т0 — время подачи аэрозоля, с. Введем удельный расход аэрозоля О (кг/с), т. е. количество аэрозоля, потраченного на тушение единицы площади поверхности горючей жидкости:

J

G = JxT = т 0

J - J,

кр

Приравняем производную ёО/ё J к нулю и найдем формулу для определения экстремума, который по определению является оптимальной интенсивностью подачи аэрозоля Jopt с минимальным удельным расходом:

dG d J

=т

J (2 J,p + J)'

J - J,

,р

= 0;

J = 3 4 J

° opt ^кр-

Второй способ анализа тепломассообмена тушения пламени аэрозолями базируется на аналогии, которая была использована при составлении уравнения тепломассообмена при описании процесса тушения пламени распыленной водой высокой степени дисперсности. Модель тушения аэрозолем основана на сопоставлении интенсивностей выделения и поглощения тепла, циркулирующего в зоне горения. Сверхнизкие тушащие концентрации аэрозоля объясняются необычайно высокой дисперсностью твердых частиц, которая обеспечивает быстрый съем тепла в зоне горения высокодисперсной системой аэрозоля.

Формула, иллюстрирующая процесс тепломассообмена при тушении пламени высокодисперсной системой, состоит из трех членов, два из которых иллюстрируют количество тепла, поступающего в зону горения в результате горения паров горючего и отводимого из нее по механизму теплопроводности частицами аэрозоля. Процесс анализа близок по физической сути к технологии тушения пламени ЛВЖ распыленной водой [11, 14-16].

Результат этих противоположно направленных процессов отразится на третьем члене уравнения, который учитывает снижение температуры массы газов в зоне теплообмена. Возьмем уравнение теплового баланса процесса тушения, обеспечиваемого воздействием испаряющихся твердых частиц на зону горения:

р CPV dTF =

где р — плотность продуктов сгорания, кг/м3; Cp—теплоемкость продуктов сгорания, Дж/(кг-К); V — объем зоны горения, высота которой принимается равной светящейся части пламени или расстоянию от распылителя до поверхности горения, м3;

TF — температура газовой фазы, °С; n — коэффициент, учитывающий потери тепла излучением; n « 0,6;

um — удельная массовая скорость выгорания ГЖ в установившемся режиме горения до начала тушения, кг/(м2-с); Qн — удельная теплота сгорания, Дж/кг; Qw — удельная теплота плавления и испарения, Дж/кг;

qw — массовый расход аэрозоля, кг/с. Перепишем уравнение теплового баланса процесса тушения (11) в следующем виде:

р Cph dT = qF - qw

где qF =f (tf);

= / '(ТР, гк);

гк — радиус частички АОС, мм. Представим параметры др и дк в явном виде:

р СрНйТ = аТр - ЬТР + сТ, (13) где введены следующие обозначения:

а = иЦ

Ь = -3Л о/

с = 3трзх оК р г2);

др = ит

= /

S о р г

Тк — температура поверхности жидкости, °С. Преобразуем формулу (13) к виду, удобному для интегрирования:

р СрН йТр

йт =

аТр + ЬТр + с

Общий интеграл уравнения примет вид:

1 . 2аХ + Ь -л1 Ь2 - 4ас т - 1п-. .

4Ы-

1 2аХ + Ь +

4Ы-

4 ас

Проведем анализ дискриминанты общего интеграла:

4ас - Ь > о.

Подставив выражения для а, Ь и с из формул (14)-(16) в формулу (21), получим:

о

пит Q

т^ н 33т оТР

(Тр)2

рг

3/т с

2

рг

> о.

Упростим выражение (22), представив его первым членом степенного ряда и подставив в него краевые условия:

рНг питQн ТР - ТР

о2

3 J

3 - Jк

гдеа = и°/(ТРо)2; Ь = -33Го/(рг2);

2а (То - Тр)р СрН

При тт ^ х

2аТо + Ь

2аТр + Ь = о.

Подставив выражения для а и Ь из формул (14) и (15) в формулу (25), получим:

2пит Qн

33т о

2

рг

Найдем выражение для критической интенсивности подачи струи АОС, в которой учитывается дисперсность исходной струи:

т 2 о^,

= 2 р г питQ Е

°кр 3 то.

Тот

ТР т о

Критическая интенсивность, определяемая при тушении пламени, зависит от удельной теплоты сгорания, удельной массовой скорости выгорания горючей жидкости и времени подачи аэрозоля в зону горения.

т т =

Гт =

о

р

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 53284-2оо9. Техника пожарная. Генераторы огнетушащего аэрозоля. Общие технические требования. Методы испытаний. — Введ. о1.о1.2о1о г. — М. : Стандартинформ, 2оо9.

2. СП 5.1313о.2оо9. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования (с изм. 1): приказ МЧС России от 25.о3.2оо9 г. № 175; введ. о1.о5.2оо9 г. — М. : ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2оо9.

3. Пат. 2ЮЮ56 Российская Федерация. МПК А62С13/22, А62С5/о2. Генератор аэрозольного тушения пожаров / Щетинин В. Г., Романьков А. В. —№ 93о56915/12; заявл. 22.12.1993 г.; опубл. 1о.о1.1998 г.

4. Пат. 2ЮЮ57 Российская Федерация. МПК А62С13/22, А62С19/оо. Устройство для объемного тушения пожара / Апаршин А. А., Волков Г. А., Рыбин В. И., Фокин К. Л. —№ 9512о295/12; заявл. 29.11.1995 г.; опубл. 1о.о1.1998 г.

5. Пат. 2471522 Российская Федерация. МПК А62С13/22 (2ооб.о1). Генератор огнетушащего аэрозоля / Баев С. Н., Шеин В. Н., Артамонов Д. Г., Демидов В. Г. — № 2о11139367/12; заявл. 28.о9.2о11 г.; опубл. 1о.о1.2о13 г., Бюл. № 1.

6. Пат. 2462283 Российская Федерация. МПК А62С13/22. Устройство для объемного аэрозольного тушения пожара / Козырев В. Н., Воробьев В. В. — № 2М1125237/12; заявл. 21.об.2о11 г.; опубл. 27.о9.2о12 г., Бюл. № 27.

7. Пат. 2ЮЮ59 Российская Федерация. МПК А62С35/оо. Автономный тепловой пускатель / Ба-лякин В. Ю., Кичатов Г. В. —№ 95117398/12; заявл. об.1о.1995 г.; опубл. 1о.о1.1998 г.

8. Пат. 2483771 Российская Федерация. МПКА62С19/00. Метательное огнетушащее устройство / Аминов Г. М., Козырев В. Н., Воробьев В. В., Емельянов В. Н., Резников М. С. — № 2012106347/12; заявл. 22.02.2012 г.; опубл. 10.06.2013 г., Бюл. № 16.

9. Проспект компании "Кливент". URL : http://klivent.net/produkciya.html. Проспект компании "Пожэнерго "Вольт Центр". URL : http://www.01energo.ru/history/aerozol.html (дата обращения: 10.07.2014 г.).

10. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Тушение горючих жидкостей высококипящими хладо-нами // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — T. 23, № 5. — С. 67-71.

11. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Влияние дисперсности капель воды на эффективность тушения пожаров горючей жидкости // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. — Т. 22, № 12. — С. 69-74.

12. Пат. 2205673 Российская Федерация. МПК А62С13/22, А62С35/00. Устройство для объемного аэрозольного тушения пожара / Дубрава О. Л., Румянцев В. Л. — № 2002108317/12, заявл. 03.04.2002 г.; опубл. 10.06.2003 г.

13. Корольченко Д. А., Реутт М. В. Опыт применения огнетушителей типа СОТ-5М пожарными подразделениями // Пожарная безопасность, информатика и техника. — 1996. — Т. 17, № 3. — С. 110-112.

14. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей.—М.: АН СССР, 1961.—208 с.

15. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. — М. : Наука, 1980. — 480 с.

16. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. — М. : Химия, 1982. —400 с.

Материал поступил в редакцию 15 июля 2014 г.

— English

FEATURES OF FIRE EXTINGUISHING

BY FINELY DISPERSED GAS-AEROSOL SYSTEMS

KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

ABSTRACT

It is shown that distinctive feature of aerosol, in comparison with powders and sprayed water, is especially high degree of dispersion of its particles. It is also shown that for extinguishing of emergency spills or fires in tanks it is necessary to ensure conditions of phlegmatization of combustible mixture of fuel vapors with air when expense of extinguishing aerosol is proportional to burning-out rate (evaporation) of liquid. Means of cooling of combustion products of aerosol-forming compounds (AFC) are considered. It is shown that the analysis of heat-mass exchange in combustion zone in case of aerosol extinguishing can be made in two ways. The analysis of material balance of fire extinguishing aerosol by analogy with early described analysis (in case of application of freons) is carried out. It is shown that modern AFC are the mix of polymeric binding agent with an inorganic oxidizer which type determine the technology and ways of obtaining of AFC charges. Such substances as potassium nitrate, potassium perchlorate and their mixtures are proposed as an inorganic oxidizer. It is established that usage of mixed oxidizer (КЫО3 with КСЮ4) cause an effect of synergism. An example of negative impact of fire extinguishing aerosol on materials is given.

Keywords: aerosol; extinguishing by aerosol-forming compounds; heat-mass exchange in combustion zone.

REFERENCES

1. National standard of the Russian Federation 53284-2009. Fire engineering. Generators of extinguishing aerosol. General technical requirements. Test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2009 (in Russian).

2. Set of rules 5.13130.2009. Systems of fire protection. Automatic fire-extinguishing and alarm systems. Designing and regulations rules. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emer-com of Russia Publ., 2009 (in Russian).

3. Shchetinin V. G., Romankov A. V. Generator aerozolnogo tusheniyapozharov [Aerosol fire extinguishing generator]. Patent RF, no. 2101056, 10.01.1998.

4. Aparshin A. A., Volkov G. A., Rybin V. I., Fokin K. L. Ustroystvo dlya obyemnogo tusheniyapozhara [Three-dimensional fire extinguishing apparatus]. Patent RF, no. 2101057, 10.01.1998.

5. Baev S. N., Shein V. N., Artamonov D. G., Demidov V. G. Generator ognetushashchego aerozolya [Generator of extinguishing aerosol]. Patent RF, no. 2471522, 10.01.2013.

6. Kozyrev V. N., Vorob'ev V. V. Ustroystvo dlya obyemnogo aerozolnogo tusheniya pozhara [Three-dimensional aerosol fire extinguishing apparatus]. Patent RF, no. 2462283, 27.09.2012.

7. Balyakin V. Yu., Kichatov G. V. Avtonomnyy teplovoypuskatel [Autonomous temperature starter]. Patent RF, no. 2101059, 10.01.1998.

8. Aminov G. M., Kozyrev V. N., Vorob'ev V. V., Emel'janov V. N., Reznikov M. S. Metatelnoye ogne-tushashcheye ustroystvo [Missile fire-extinguishing device]. Patent RF, no. 2483771, 10.06.2013.

9. Booklet of the "Klivent" company. Available at: http://klivent.net/produkciya.html. Booklet of the "Pozhenergo "Volt Tsentr" company. Available at: http://www.01energo.ru/history/aerozol.html (Accessed 10 July 2014).

10. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Tusheniye goryuchikhzhidkostey vysokokipyashchimikhla-donami [Combustible liquids suppression with high-boiling halons]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 5, pp. 67-71.

11. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Vliyaniye dispersnosti kapel vody na effektivnost tusheniya pozharov goryuchey zhidkosti [Impact of dispersion of water drops on the efficiency of fire extinguishing of combustible liquid]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 12, pp. 69-74.

12. Dubrava O. L., Rumyantsev V. L. Ustroystvo dlya obyemnogo aerozolnogo tusheniya pozhara [Three-dimensional aerosol fire extinguishing apparatus]. Patent RF, no. 2205673, 10.06.2003.

13. Korol'chenko D. A., Reutt M. V. Opyt primeneniyaognetushiteley tipa SOT-5M pozharnymipodraz-deleniyami [Experience of using of SOT-5M type fire extinguishers by fire divisions]. Pozharnaya bezopasnost, informatika i tekhnika — Fire Safety, Informatics and Technology, 1996, vol. 17, no. 3, pp. 110-112.

14. Blinov V. I., Khudyakov G. N. Diffuzionnoye goreniye zhidkostey [Diffusion burning of liquids]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 1961. 208 p.

15. Zel'dovichYa. B., BarenblattG. I., Librovich V. B., Makhviladze G. M. Matematicheskaya teoriyago-reniya i vzryva [Mathematical theory of burning and explosion]. Moscow, Nauka Publ., 1980. 480 p.

16. Frolov Yu. G. Kurs kolloidnoy khimii. Poverkhnostnyye yavleniya i dispersnyye sistemy [The course of dispersoidology. Surface phenomena and disperse systems]. Moscow, KhimiyaPubl., 1982.400 p.