автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Особенности влияния тепловых и химических факторов на тушение диффузионных пламен горючих жидкостей порошками

БУХТОЯРОВ Дмитрий Викторович

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТУШЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПЛАМЕН ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ПОРОШКАМИ

Специальность: 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» (технические науки, отрасль - химическая и нефтехимическая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 3 ОЕВ 2011

4853687

На правах рукописи

БУХТОЯРОВ Дмитрий Викторович

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТУШЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПЛАМЕН ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ПОРОШКАМИ

Специальность: 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» (технические науки, отрасль - химическая и нефтехимическая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (ФГУ ВНИИПО МЧС России)

Научный руководитель: доктор технических наук, с.н.с.

Копылов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Фролов Юрий Васильевич

кандидат технических наук, с.н.с. Вайсман Михаил Наумович

Ведущая организация Национальный

исследовательский технологический университет НИТУ МИСиС.

Защита диссертации состоится «-/?» ф-е&раЛ Я2011 года в «10» час «00» мин на заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 в ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская обл., Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Автореферат разослан « 7/» 20// г. исх. №//-¿7

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в ФГУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: (495) 521-29-00

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, с.н.с

Е.Ю. Сушкина

Общая характеристика работы.

Постановка проблемы и ее актуальность. Проблема борьбы с пожарами была и остается актуальной для любого государства. Ежегодно пожары сопровождаются материальными потерями и значительным числом жертв. С начала 2010 года за 9 месяцев зарегистрировано 128572 пожара погибло 8631 человек, в том числе 370 детей, получили травмы на пожарах 9491 человек, прямой материальный ущерб причинен в размере 10906,6 млн. р.

Среди известных огнетушащих средств широкое применение находят огнетушащие порошки (ОII). Они относятся к числу наиболее эффективных средств борьбы с пожарами. Способность быстро подавлять горение в сочетании с универсальным характером действия и возможностью применения при низких температурах делают ОП во многих случаях самым приемлемым средством пожаротушения и взрывоподавления.

Исторически порошковое пожаротушение впервые было применено в 1770 г. В конце XIX века в России производили тушение составом, состоящим из бикарбоната натрия, квасцов и сернистого аммония.

Расширение исследований по разработке отечественных ОП, изучение механизма их огнетушащего действия были активно продолжены во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНИИПО) А.Н. Баратовым, В.И. Горшковым, М.Н. Вайсманом, Л.П. Вогманом, A.B. Антоновым.

С 1993 г. начаты работы по расширению производства огнетушащих порошков в России на своей сырьевой базе.

Определение огнетушащей эффективности порошков производили в лабораторных или натурных условиях. Критерием огнетушащей эффективности в лабораторных опытах в основном являлась масса навески порошка, используемая на одно тушение, а в натурных опытах удельный расход кг/м2 или концентрация кг/м3, а также время тушения.

В 1998 г. были изданы НПБ 170-98. Нормы разрабатывались с учетом международных стандартов. В развитие стандартизации в 2009 году был разработан и внедрен ГОСТ Р 53280.4, в котором среди основных параметров оценки эффективности ОП приведена методика определения огнетушащей способности порошков на очаге класса 55 В. Тушение производят из огнетушителя (определяется удельный расход огнетушащего порошка на тушение, кг/м2).

В то же время отсутствует общепринятая (стандартизованная) методика определения огнетушащей концентрации порошков. Отсутствует также официальный методический подход, позволяющий адекватно сравнивать результаты лабораторных испытаний и данные натурных

опытов по тушению очагов класса В. В связи с этим, актуальной является задача разработки современных методик определения огнетушащей концентрации порошков.

Целью диссертационного исследования является оценка вклада теплового эффекта в механизм тушения пламен горючих жидкостей порошками, разработка методов оптимизации составов огнетушащих порошков при объемном или локально-объемном тушении диффузионных пламен горючих жидкостей, позволяющих повысить эффективность тушения и снизить затраты на производство.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные научные и практические задачи:

- проанализировать литературные данные по: механизмам тушения пламени горючих жидкостей огнетушащими порошками,, существующим методикам определения огнетушащей концентрации порошков, известным результатам лабораторных и натурных испытаний;

- разработать лабораторные методики определения: огнетушащих концентраций порошков, их дисперсности по узким фракциям, размера частиц огнетушащих порошков после воздействия пламени, максимальной температуры пламени;

- провести испытания по определению дисперсностей огнетушащих порошков по узким фракциям;

- на разработанных лабораторных установках определить огнетушащую эффективность порошков и их компонентов - время тушения и огнетушащую концентрацию для критических параметров;

- провести натурные испытания по тушению бензина огнетушащими порошками;

- разработать методику преобразования результатов натурных испытаний (кг/м2) в огнетушащую концентрацию (кг/м3), сопоставить результаты лабораторных исследований и натурных испытаний;

- экспериментально исследовать огнетушащие порошки после тушения;

- по тепловой интегральной схеме определить зависимость огнетушащей концентрации порошков от размера частиц, оценить тепловой вклад в механизм тушения порошками на основе хлорида калия;

- составить оптимизационную зависимость влияния размеров • частиц на огнетушащую эффективность порошков.

Научная новизна работы:

- определен вклад теплового эффекта в механизм тушения диффузионных пламен горючих жидкостей огнетушащими порошками на основе хлорида калия;

- экспериментально определен размер частиц хлорида калия, подвергшихся плавлению после прохождения фронта горения при тушении;

- по результатам оценки вклада теплового эффекта и исследования на электронном микроскопе определено, что тушение диффузионных пламен горючих жидкостей огнетушащими порошками на основе хлористого калия осуществляется приоритетно за счет химического механизма (предположительно в основном за счет гетерогенного ингибирования на поверхности частиц порошков);

- экспериментально определены времена тушення бензина Аи-80 и октана огнетушащими порошками при помощи высокоскоростной видеосъемки (500 кадров в секунду);

- определена связь огнетушащей концентрации с размером частиц при локально-объемном тушении диффузионных пламен горючих жидкостей порошками, позволяющая оптимизировать фракционный состав ОП для наиболее эффективного тушения.

- в опытах применены современные технологии: высокоскоростная видеокамера; электронный сканирующий микроскоп ТМ-3000; высокоскоростная система измерения температур; система измерения дисперсности частиц ОП по узким фракциям.

На защиту выносятся:

- оценка вклада теплового эффекта в механизм тушения диффузионных пламен горючих жидкостей огнетушащими порошками на основе хлорида калия;

- методики определения: огнетушащей концентрации ОП, их дисперсности по узким фракциям (от 1 мкм), размера частиц огнетушащих порошков после воздействия пламени, максимальной температуры пламени;

- результаты испытаний по определению огнетушащих концентраций на установках при подаче порошков в спутную струю и сверху под давлением;

- методика преобразования результатов натурных испытаний (кг/м2) в огнетушащую концентрацию (кг/м3);

- результаты натурных испытаний, и их сопоставление с лабораторными опытами;

- результаты экспериментов по определению размера частиц хлорида калия, подвергшихся плавлению после тушения тушения;

- оптимизационные зависимости огнетушащей концентрации порошков от дисперсности для наиболее эффективного тушения.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны установки и методики определения огнетушащих концентраций порошков;

- разработана методика, позволяющая корректно сопоставлять огнетушащие концентраций порошков, полученные в результате испытаний на лабораторных установках и в натурных опытах;

. - определен вклад теплового эффекта в механизм тушения диффузионных пламен горючих жидкостей огнетушащими порошками на основе хлорида калия;

- установлена зависимость огнетушащей концентрации от дисперсности порошка, позволяющая оптимизировать фракционный состав порошков для наиболее эффективного тушения и снижения затрат на производство.

Апробация работы.

Результаты работы были изложены в публикациях, доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: МИСиС, ФГУ ВНИИПО.

Результаты работы реализованы в ФГУ ВНИИПО при разработке ГОСТ Р 53280.4, на предприятиях: ЗАО «Экохиммаш», ООО «ПромЭпотос»,ЗАО«Соболевский завод»,ЗАО «НПГ Гранит-Саламандра».

Публикации.

Основные положения диссертации изложены в 8 печатных работах. В диссертации обобщены результаты самостоятельной работы, а также выполненные совместно с коллегами. В совместных работах автор определял направление исследований, принимал участие в разработке установок, методик, экспериментах, осуществлял анализ и обобщение полученных результатов, принимал непосредственное участие в формулировке выводов и внедрении в практику.

Структура п объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы наименований и приложения. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 28 таблиц, 110 библиографических наименования.

Основное содержание работы.

Во введении проанализирована история развития порошкового пожаротушения. Изучены данные по влиянию содержания основных компонентов ОП и их дисперсности на огнетушащую эффективность. Исходя из факта отсутствия количественной оценки вклада теплового эффекта в механизм тушения пламен порошками, современных методик по определению огнетушащей концентрации порошков и метода планирования их оптимальной дисперсности, рассматривается актуальность' и практическая значимость диссертационной работы. Сформулирована цель и задачи исследования. Раскрывается научная новизна, описаны основные положения, выносимые на защиту, определена практическая ценность.

В первой главе («Аналитический обзор») проанализированы механизмы тушения пламен горючих жидкостей огнетушащими порошками: гетерогенное и гомогенное ингибирование, тепловой механизм. Единое мнение о механизме тушения диффузионных пламен

горючих жидкостей порошками отсутствует. Изучены методы определения характеристик огнетушащих порошков, а также методики определения огнетушащей эффективности. Представлены результаты анализа известных лабораторных и натурных испытаний.

Анализ известных лабораторных данных показывает, что по ним невозможно получить достоверные значения огнетушащей эффективности вследствие того, что на разных установках различны условия образования порошкового облака. Критерием огнетушащей эффективности в лабораторных опытах в основном является навеска порошка, используемая на одно тушение, а не приведенные параметры кг/м2, кг/м3, время тушення.

Анализ литературных данных показывает, что масса огнетушащей навески (эффективность) зависит как от природы горючей жидкости, так и от химического состава порошка, увеличение удельной поверхности ОП в целом приводит к увеличению их огнетушащей эффективности, однако зависимости, обобщающие эти результаты, авторами не определены.

Во второй главе («Разработка лабораторных методик испытаний») представлены разработанные методики.

Лабораторная установка и методика определения огнетушащей концентрации при подаче порошков в спутную струю.

Для определения огнетушащей концентрации задаются входные параметры:

б - расход воздуха, м3/с; т - масса навески, кг;

Расход воздуха задавали оттарированным заранее ротаметром.

1 - компрессор, 2 - ресивер, 3 - шланг, 4 - тройник, 5 - вентиль,6 - ротаметр, 7 - электромагшгтный пневмораспределптель, 8 - тгтатель, 9 - стеклянный кожух, 10 - горелка, 11 - сопло, 12 - горючее, 13 - сосуд для регулировки уровня горючего в горелке, 14 - навеска порошка, 15 - высокоскоростная видеокамера.

Рис.1. Схема лабораторной установки определения огнетушащей концентрации при подаче порошков в спутную струю.

Навеску, массой т помещали в лабораторную установку на штатное место 14, включали компрессор 1, на ротаметре 6 выставляли необходимый расход воздуха, который соответствовал 15 л/мин, поджигали горючую жидкость в горелке 10, затем надевали стеклянный кожух 9, включали запись на видеокамере 15 и приводили в действие электромагнитный пневмораспределитель 7. Если очаг не был потушен, то брали большую навеску массой т,.В случае тушения очага навеской иг;

определение массы искомой навески ти проводили методом последовательных приближений.

Таким образом, находили наиболее близкую к минимальной огнетушащей массу порошка при повторении в трех последовательных успешных опытах.

Время подъема порошка гр определяли с помощью покадровой видеозаписи эксперимента. Объем воздушно-порошковой смеси в питателе (8) ¥р вычисляли по зависимости".

= (1)

где й - расход воздуха, м3/с; тр - время подъема порошка в питателе, с.

Далее определяли огнетушащую концентрацию С0, кг/м3:

с0(2)

р

Применение электромагнитного пневмораспределителя исключает влияние оператора на опыт, так как время его срабатывания было постоянным (не более 0,1 с). Покадровая видеофиксация позволяла с точностью не более 0,002 с (500 кадров в секунду) определять время тр и существенно повысить точность (повторяемость) опытов.

Лабораторная установка определения огнетушащей концентрации при подаче порошка сверху под давлением.

Предварительно взвешенную навеску массой тс ОП загружали в металлическую кювету, представляющую собой трубку с внутренним диаметром 5 мм, аэратором и отверстием для загрузки порошка. В круглый противень, диаметром 70 мм и высотой борта 10 мм, запивали 10 см3 горючей жидкости, которую зажигали, и давали свободно гореть в течение 30 с. По истечении этого времени от компрессора, через трехходовой электроклапан подавали воздух в кювету и затем образовавшуюся порошково-воздушную смесь через распылитель на очаг горения. Расход воздуха, по результатам предварительных испытаний, устанавливали равным 9,5 л/мин. Расстояние от распылителя до поверхности бензина составляло 300 мм. Процесс тушения снимали на видеокамеру. Время выпуска порошка, время тушения, и высоту пламени определяли по покадровой видеофиксации (500 кадров в секунду).

Для определения огнетушащей концентрации определяли объем пламени, время тушения, расход.

Расход <7 порошка:

я = (3)

где хв - время выпуска порошка, с; тс - масса навески порошка, при которой достигалось тушение кг. Объем пламени рассчитывали:

V = л/г2л (4)

где Я - радиус металлического противня, м; А - высота пламени, согласно литературным и собственным данным, м.

Масса порошка тт, пошедшего на тушение:

т-р = цтр (5)

где тт - время тушения, с.

Время тушения определялось по результатам покадровой видеосъемки.

Огнетушащую концентрацию С3 определяли как:

(6)

Установка и методика определения дисперсности частиц ОП по узким фракциям.

В связи с тем, что ситовой анализ не позволяет определить размер частиц ОП по узким фракциям (до 1 мкм), разработана соответствующая методика.

Для исследований отбиралась навеска огнетушащего порошка массой 1 г. Навеска огнетушащего порошка при помощи пневмоподачи, аналогично лабораторной установке при подаче порошка в спутную струю подавалась в измерительную область (луч лазера) системы «8ргау(ес».

В основу работы системы «Брга^ес» положен метод лазерной дифракции, при котором рассеянное частицами излучение регистрируется под разными углами с помощью высокочувствительного кремниевого детектора - фото диодной матрицы.

Распределение частиц по размерам отображалось в виде двух графиков - гистограмма и кумулятивная кривая отображают результат в форме размеры в заданном диапазоне и их количество в %.

Установка и методика экспериментального определения размера частиц порошков после воздействия пламени.

Лабораторная установка по определению огнетушащей концентрации при подаче огнетушащего порошка в спутную струю дополнительно оснащалась круговым сборником порошка, выполненным из картона, который размещался по верхнему срезу стеклянного кожуха 9 или над ним на расстоянии 100 мм. Сборник порошка имел диаметр 250 мм.

После прохождения пламени и достижения тушения огнетушащий порошок собирался с поверхности сборника при помощи липкой ленты. Для анализа образец ОП помещался в измерительный контейнер сканирующего микроскопа ТМ - 3000, с возможностью увеличения до хЗОООО. Результаты сканирования выводили на монитор персонального компьютера и записывались в его память. Критерием

плавления частицы была ее геометрическая форма. Так исходные частицы ОП имели кристаллическую форму, в то время как подвергшиеся плавлению приобретали характерную сферическую.

Лабораторная установка и методика определения максимальной температуры пламени.

Для исследований использовался круглый противень диаметром 70 мм и высотой борта 10 мм. В качестве горючего выбирались ГЖ, используемые при испытаниях.

Применялись 3 высокочувствительные термопары, размещенные вертикально с шагом 5 мм, со смещением 5 мм по горизонтали. Термопары вводились в зону пламени. В качестве регистрирующего прибора использовался аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В АЦП программно заложена обработка данных, учитывающих размеры термопар и утечки тепла по их длине. Данные с АЦП передавались на персональный компьютер.

Впервые использованы современные технологии: высокоскоростная видеокамера, позволяющая вести съемку с частотой 500 кадров в секунду; электронный сканирующий микроскоп ТМ-3000; высокоскоростная система измерения температур; система измерения дисперсности частиц ОП по узким фракциям.

В третьей главе («Экспериментальная часть») представлены результаты определения эксплуатационных свойств огнетушащих порошков, результаты испытаний на лабораторных установках, натурные опыты, сопоставление результатов лабораторных и натурных экспериментов, исследования огнетушащих порошков на электронном микроскопе.

Испытания эксплуатационных свойств проводились в соответствии с методами испытаний по ГОСТ Р 53280.4-2009.

Дополнительно, определение фракционного состава огнетушащих порошков осуществляли на системе «Брга^ес». Это дало возможность разделить испытуемые образцы по более тонким фракциям, что не позволял сделать ситовой анализ, по причине ограниченного количества сит, имеющих стандартные размеры отверстий.

В качестве примера на рис. 2 представлена гистограмма ОП

ПХК.

рагаОе 51=» 01»«1Ьи11оп 26 Маг2010 • 14:40:40

Т; Гг -н-

1 1/"" ш Я Н: й •.г. Е"'

«

г 1 ! :: :г :: г:; II

:;;

э

Рис. 2. Распределение по размерам частиц огнетушащего порошка ПХК

Огнетушащая концентрация основных компонентов порошков, полученная на лабораторной установке по оценке огнетушащей концентрации при их подаче в спутную струю приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Огнетушащая концентрация основных компонентов огнетушащих

порошков при тушении октана.

Компонент ОП Огнетушащая концентрация С0, кг/м1

<25 мкм 25-40 мкм 40-63 мкм 63-100 мкм

Аммофос 0,21 0,52 1,09 2,5

КС1 (чистый) 0,24 0,47 0,98 2,41

КаНСОз 0,34 0,68 1,25 -

Сульфоаммофос 0,25 0,65 1,15 2,61

Талькомагнезнт 4,01 - - -

Фосмука 4,73 - - -

Кварц 5,72 - - -

Брусит 5,96 - - -

Видно, что основные активные компоненты огнетушащих порошков размером меньше 25 мкм тушат пламя с концентрацией 0,21 -0,34 кг/м3. Инертные добавки, обеспечивающие тушение при таких же размерах частиц, имеют огнетушащую концентрацию 4,01 - 5,96 кг/м3.

Сравнение теплофизических характеристик и дисперсности кварца кристаллического и хлористого калия показали, что химически неактивный кварц имеет близкие теплофизическне 'характеристики с хлористым калием, но большую плотность и теплоемкость, поэтому если предположить, что тушение происходит только с помощью теплового эффекта, кварц тушил бы эффективнее ~ на 30 %, хотя по экспериментальным данным эффект тушения хлористым калием на порядок выше.

Также были проведены эксперименты по определению огнетушащей концентрации порошков. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Огнетушащая концентрация порошков при тушении октана.

№ Марка ОП Время Огнетушащая Основной

тушения, т, с концентрация С„, кг/м3 компонент.

1 ИСТО - 1 (2001 г.) 0,128 0,40 Аммофос

2 Феникс ABC-70 (2003) 0,126 0,39

3 П-АТС (2003 г.) 0,124 0,37

4 П - ФКЧС2 (2001 г.) 0,138 0,56 Бикарбонат

5 Вексон ВС-30 2 с (2009 г) 0,126 0,47 натрия

6 ПСБ - ЗМ (2000 г.) 0,122 0,49

7 ПХК (2000 г.) 0,132 0,39 Хлористый

8 Завеса (1999 г.) 0,124 0,36 калий

На рис. 3, в качестве примера показаны результаты покадровой видеозаписи тушения огнетушащим порошком ПХК октана на установке при подаче порошка в спутную струю.

Из таблицы 2 видно, что время тушения ОП при подаче в спутную струю лежит в пределах 0,122 -0,138 с.

шшт

т

в шшшя ¡Яй

щт&ш Шт -

Шш Ж •'" щ ш ШШшШ иМяВ ifl'MMil . ■ ■ i-.

ь. J.-V ----

Горение октана 43 кадр (0.086 с)

Начато тушения 51 кадр (0,102 с)

Тушение 83 кадр (0.166 с)

Завершение тушения 109 кадр (0,218 с)

Очаг потушен 117 кадр (0,234 с)

Рис 3. Тушение октана огнетушащим порошком ПХК при подаче в спутную струю.

Время тушения октана огнетушащим порошком на основе хлористого калия ПХК составило 0,132 с (начало тушения 0,102 с, очаг потушен 0,234 с).

Огнетушащая концентрация промышленных порошков, также исследовались на лабораторной установке по определению огнетушащей концентрации порошков при подаче сверху под давлением.

Отрыв пламени 115 кадр (0,23 с)

Рис. 4. Тушение бензина

подаче сверху.

Тушение пламени 127 кадр (0,254 с) Очаг потушен 151 кадр (0,302 с)

Аи-80 огнетушащим порошком ПСБ-ЗМ (2000 г) при

Время тушения 0,128 с (начало тушения 0,102 с отрыв пламени 0,23 с). При отрыве пламени на высоту 30 мм и более происходило гарантированное тушение.

В экспериментах установлено, что время тушения исследуемых огнетушащих порошков лежит в пределах 0,108 — 0,135 с. Огнетушащая концентрация испытуемых порошков составила 0,21 - 0,34 кг/м3. На рисунке 4, в качестве примера, представлены результаты покадровой видеозаписи тушения огнетушащим порошком ПСБ-ЗМ бензина Аи-80.

Для оценки соответствия полученных результатов лабораторных испытаний была проведена серия натурных опытов. Натурные эксперименты проводились на очагах 55В (тушении бензина Аи-80) в соответствии с методикой приведенной в ГОСТ Р 53280.4-2009.

Корректное сопоставление указанных данных возможно в том случае, если результаты натурных опытов - удельный расход на тушение (кг/м2) имеют возможность преобразования в тушение по объему (кг/м3) (необходимые данные для обработки - масса и время тушения). С этой целью была разработана соответствующая методика.

Существо разработанной методики заключалось в учете условий тушения в натурных условиях. Определение объема пламени V, в котором необходимо создать огнетушащую концентрацию проведено в соответствии с методическим подходом, изложенным ранее. За площадь горения 5 принимали горизонтальную проекцию площади очага. Высоту принимали равной:

z = 0,08 Q2'5 . (7)

где Q - тепловая мощность пожара, кВт.

Q=mQHS (8)

где т - массовая скорость выгорания кг/(м2с); Q„ - низшая теплота сгорания Дж/(кг); S - площадь горения, м2.

Дополнительно, экспериментально определяли высоту пламени по видеозаписи на высокоскоростной видеокамере. Значения высоты пламени z, полученные в покадровой видеозаписи, удовлетворительно совпадают со значениями, рассчитанными по формуле 7.

Анализируя . известные результаты и собственные экспериментальные данные, можно предположить, что время подачи т, расход порошка q, объем очага V и огнетушащая концентрация С связаны соотношением:

тq = CV (9)

где г - время подачи, с; q - расход, кг/с; V - объем пламени, м3; С - огнетушащая концентрация, кг/м3..

Возможность перевода результатов натурных испытаний в формат огнетушащей концентрации, позволила корректно осуществить сопоставление их с результатами исследований, полученных в лабораторных условиях. Причем, если считать, что скорость выгорания

горючего не зависит от площади горения (с! >1 м), то затраченная на тушение масса порошка будет линейно зависеть от объема горения. В том случае, если требуются более точные расчеты скоростей выгорания, можно воспользоваться методикой, разработанной В.И. Горшковым.

В таблице 3 приведены результаты расчетов огнетушащих концентраций согласно соотношению 9 для огнетушащих порошков по данным натурных испытаний.

Таблица 3.

Огнетушащие концентрации, полученные по результатам натурных

испытаний.

№ Марка ОП Рас- Время Масса Огнетушащая Основной

ход подачи ОП на концентрация компонент

Ч. кг/с т, с тушение ш, кг (полигон) С„, кг/м3

1 ИСТО-1 (2001 г.) 0,31 4,2 1,33 0,35 Аммофос

2 Феникс АВС-70 (2003 г) 0,32 4,5 1,44 0,37

3 П-АГС (2003 г.) 0,44 3,0 1,32 0,34

4 П-ФКЧС2 (2001 г.) 0,46 4,5 2,09 0,54 Бикарбонат

5 ПСБ-ЗМ (2000 г.) 0,40 4,2 1,67 0,43 натрия

6 Вексон ВС-30 2 сорт (2009 г) 0,37 4,1 1,51 0,39

7 ПХК(2000 г.) 0,46 2,9 1,33 0,34 Хлористый

8 Завеса (1999 г.) 0,43 3,1 1,35 0,35 калий

Сравнение огнетушащих концентраций порошков, полученных на лабораторных установках и в натурных экспериментах, представлено на рис. 5.

ИСТО-1 Феникс П-АГС П-ФКЧС 2 ПСБ-ЗМ Вексон ПХК Завеса (2001 г.) АВС-70 (2003 г.) (2001 г.) (2000-г) ВС-30 (2000 г.) (1999 г.) (2003 г.) (2009 г.)

Огнетушащие порошки

[ш Сп. натурные опыты я Со. подача а спутную струю □ Сэ, подача сверху]

Рис. 5. Диаграмма огнетушащих концентраций порошков, полученных

разными методами.

Из рисунка видно, что огнетушащая концентрация порошков удовлетворительно совпадает при подаче порошка в спутную струю, подаче сверху и натурных испытаниях.

Хлористый калий обладает температурой плавления 1044 К, в то время как другие компоненты ОП аммофос и бикарбонат натрия разлагаются при 463 и 543 К соответственно.

Подробные исследования частиц огнетушащего порошка после воздействия пламени проводились на настольном сканирующем электронном микроскопе ТМ-3000.

Для исследований были выбраны огнетушащие порошки ПХК (основа хлористый калий), Вексон ВС-90 (основа бикарбонат натрия), Вексон АВС-50 (основа аммофос). Образцы были собраны после тушения октана на установке по определению огнетушащей концентрации при подаче огнетушащих порошков в спутную струю. Образцы исследовались до и после воздействия диффузионного пламени октана.

Результаты анализа на электронном сканирующем микроскопе представлены на рисунках 6, 7.

Анализ полученных результатов показал (рис. б), что после воздействия диффузионного пламени октана частицы хлористого калия менее 6 мкм плавятся, остальные частицы не подвергаются плавлению.

а б

Рис. 7. Огнетушащие порошки после воздействия пламени а - Вексон ВС-90 увеличение: х500; б - Вексон АВС-50 увеличение: хЮО.

Рис. б. Огнегушащий порошок ПХК. я - исходный, увеличение: хЮОО; б - после воздействия иламени, увеличение: хЮОО; в - после воздействия пламени, увеличение: хЮООО. Анализ результатов исследования ОП на основе бикарбоната натрия и аммофоса (рис. 7) показал, что даже крупные частицы ЫаНС03 (свыше ЮОмкм) подвергаются разложению.

Частицы аммофоса размером более 100 мкм также изменяют свою форму, что свидетельствует об их нагреве до температур разложения.

Четвертая глава («Моделирование процессов тушения») посвящена моделированию локально-объемного тушения по тепловой интегральной схеме, оценке теплового вклада в механизм тушения пламени и оптимизации ОП по размерам частиц.

Для проведения моделирования по тепловой интегральной схеме использовали литературные данные. Согласно этим данным тушение пламени происходит при снижении его температуры до некоторого критического значения Ткр. Как показал Я.Б. Зельдович (подтверждено Д.А. Франк-Каменецким, В.И. Блиновым, Г.Н. Худяковым, В.И. Горшковым), эта температура определяется выражением:

Г аТ (10)

кр maw j-1

L

(ii)

■^aia« & '

где Гге10„ - температура пламени, К; Ткр - температура погасания, К; Е - энергия активации Дж/кг. R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг К).

В литературе приведена зависимость времени тушения т при тушении диффузионных пламен огнетушащими порошками, в зависимости от соотношения TKp/Tniav. При этом, для различных горючих учитывается энергия активации Е. Расчетная формула имеет вид:

ргазаСгазаh , Г1 ,,, Ткр Е

2«(1—)(1+---)

Т 2 RT

плач плач

1п[1 - 2(1 - _—il_Xl + -)] (12)

где а - коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2с К); ргаза -плотность газа, кг/м3; Сгаза - теплоемкость газа, Дж/(кп К); г - время тушения, с; И - толщина фронта горения, м.

В качестве примера, для ориентировочного расчета времени тушения, были выбраны горючие жидкости - ацетон, бензол, н-гексан, н-гептан и октан.

В соответствии с методикой по определению максимальной температуры пламени были экспериментально установлены температуры пламен горючих жидкостей: бензин Аи-80, октан и изопропиловый спирт. Результаты экспериментов показали, что использованные в экспериментах бензин Аи-80 и октан имеют близкие температуры пламени (октан - 1333 К, бензин- 1373 К).

В результате обработки экспериментальных данных и их сопоставления с тепловой моделью получено, что опытные точки при тушении диффузионных пламен группируются вокруг линии с коэффициентом теплоотдачи а=3,0 Вт/(м2сК). Поэтому расчет времени тушения т провели с использованием этого коэффициента.

Безразмерная критическая температура пламени лежит в пределах ^/^„=0,945^0,96, для экспериментального времени тушения 0,138-0,122 с (рис 8). Для порошка ПХК (основа хлорид калия) эта температура составит 0,95 при времени тушения 0,132 с. Для понижения температуры пламени до критической требуется поглотить 0,спа тепла. Произведен расчет затрат тепла на нагрев одиночной частицы <2Ч при заданном диаметре частицы и коэффициенте теплоотдачи. Найдено при каких счетных N и массовых концентрациях С„, порошка при времени тушения 0,132 с частицами будет поглощено тепло Из литературы известно, что нагрев частиц ОП за счет излучения незначителен, поэтому его можно не учитывать.

0.52 О.Н 0.96 0.98 Т„ЛаМ

1 - бензол; 2 - гексан; 3 - ацетон; 4 - гептан;

5 - октан.

Рис. 8. Зависимость времени тушения пламени от безразмерной критической температуры

Холодная частица с параметрами С, Т0 вносится в горячий газ с параметрами Сгаза, Тпши. Необходимо рассчитать температуру частицы в зависимости от времени и массу частиц, обеспечивающих снижение температуры пламени до критической за время 0,132 с для порошка на основе хлорида калия.

Начальные условия.

При х=0, Тч = Т0ч; т = со ,гг = Тша„, Тч = Ттам.

Уравнение теплового баланса при нагреве одиночной сферической частицы хлористого калия:

0,т+ <2исп= <2гаш1. (13)

Согласно исследованию хлористого калия, подвергшегося воздействию пламени, на электронном микроскопе, плавятся частицы менее 6 мкм. Как показали наши исследования частиц такого размера в порошках на основе хлористого калия ПХК, «Завеса» не более 10 %. За счет плавления частиц поглощается менее 40 % от общего тепла, затраченного на нагрев и плавление. Следовательно, дополнительное потребление теплоты за счет плавления по сравнению' с поглощением теплоемкостью при тушении диффузионных пламен хлористым калием не превышает 4 %. В этом случае, с ошибкой не более 4% можно пренебречь плавлением.

Тогда уравнение для одиночной частицы принимает упрощенный

вид:

&,= &„,а,. (14)

При В1<0,1 теплообмен внутри частицы происходит намного быстрее чем снаружи, то есть температуру частицы считают постоянной. Для наших условий В1<0,1.

Провели решение задачи при граничных условиях 3-го рода. Дифференциальное уравнение теплового баланса при нагреве одиночной сферической частицы КС1 в этом случае записывается как:

СрМТ = аР(Тта„-Г0)с!т. (15)

Интегрируя дифференциальное уравнение, получили:

тч = тппш, ~ С™. " то (16)

где: Т0 - начальная температура частицы, К; Тшт -температура пламени, К; Тч - расчетная температура частицы, К; а -коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2с К); р - плотность частицы, кг/м3; С -теплоемкость частицы, Дж/(кг К); г - время тушения, с; с1 - диаметр частицы, м.

Д Т = ТЧ-Т0 (17)

Qч = СтчАТ (18)

где: <2Ч - тепло, поглощаемое одной частицей, Дж; тч - масса одной частицы, кг; Дж/(кг К); ДГ- прирост температуры за счет нагрева, К.

(19)

тц

где: N - количество частиц в объеме газа; М - масса частиц в объеме газа.

0та = (1 - (20)

где: й температуры на

■газа — тепло, потерянное пламенем при уменьшении его Т"-~ К, Дж.

' кр

)ТП!

Сгаза - теплоемкость пламени Дж/(кг К);

ргаза — плотность газа в пламени . У газа ~ объем Газа. При отводе тепла от пламени тушения, тогда:

О!то СМ м

кг/м

Ор,-ч >0,ша выполняется условие

д Т--

С„ =-К...

Теплофизические литературным данным:

(21) (22)

параметры частицы КС1 приняты по начальная температура частицы 300 К,

теплоемкость КС1 700 Дж/(кг К), плотность 1999 кг/м . Температура горения бензина 1373 К. Величину коэффициента теплоотдачи приняли в диапазоне а =0,75 - 6,0 Дж/ (м2 с К), что совпадает с литературными данными для газовых сред при свободной конвекции.

По уравнению 16 была получена зависимость (рис.9).

<1, м

Рис.9. Зависимость температуры частицы от диаметра при разных значениях коэффициента теплоотдачи а: 1-0,75; 2—1; 3 — 1,5;

4-3;5-6;6-9 Дж/(м2сК).

Из анализа рисунка 9 видно, что частицы свыше 5 мкм не нагреваются до температуры плавления во всем интервале рассмотренных коэффициентов теплоотдачи.

С учетом изложенного получили зависимость огнетушащей концентрации от условий тушения.

с,„ =

Expido

cv

-тп)

(23)

где: С„, - огнетушащая концентрация, кг/м . По зависимости 23, можно рассчитать изменение огнетушащей концентрации компонентов ОП от диаметра частиц, при разных коэффициентах теплоотдачи.

Сравнение экспериментальных зависимостей огнетушащих концентраций основных компонентов огнетушащих порошков с расчетными приведены на рис 10 (экспериментальные данные были приведены ранее в таблице 1).

7

о=6

а=3

а=2,5

0=2

0=1

а=0,75

а=0,15

— а«0.11

• Хлористый калий

■ Бикарбонат натрия

Аммофос

• С ульфо аммофос

ь Тальком атеэит

А Ф ос мук а

« Кварц

4 мкм

Рис.10. Сопоставление экспериментальных и расчетных зависимостей огнетушащих концентраций порошков от среднего диаметра

частиц.

Из рисунка 10 видно, что экспериментальные данные для частиц активных компонентов среднего размера (менее 52 мкм) близки к зависимости, выявленной теоретически, с коэффициентом теплоотдачи 3. Инертные компоненты, например кварц, имеют коэффициент теплоотдачи на порядок меньше 0,11. Исходя из этого, был произведен расчет вклада теплового эффекта в тушение пламен горючих жидкостей порошками на основе хлористого калия, который составил 4-10%. Это обстоятельство можно интерпретировать как факт основного механизма тушения пламен горючих жидкостей хлористым калием за счет гетерогенного ингибирования. Инертные добавки поглощают тепло за счет теплоемкости. При гетерогенном ингибировании на поверхность хлористого калия дополнительно к тепловому механизму обеспечивается перенос тепла за счет активных центров, которые рекомбинируют на его поверхности. При размере около 82 мкм расходятся теоретические и

экспериментальные данные (аммофоса и хлористый калий). Эти явления, возможно, связаны с изменением механизма тушения при увеличении размера частиц.

По экспериментальным данным для огнетушащих концентраций получена функциональная зависимость планирования фракционного состава огнетушащих порошков, для наиболее эффективного тушения.

Из рис. 11 видно, что для участка размером частиц до 52 мкм зависимость изменение концентрации от среднего диаметра выражается как:

Ст=21000с1 (24)

для участка от 52 мкм до 82:

С„,=43000с1-1,11 (25)

с1 *10Л-6, м

Рис.11. Экспериментальная зависимость огнетушащей концентрации от среднего диаметра частицы.

По экспериментальным данным выявлена прямая пропорциональность огнетушащей концентрации от размера частиц, которая подтверждает выведенную Ван-Тиггеленом зависимость предельных условий горения от дисперсности пылевоздушных смесей:

VI _, (26)

и2о *РЛ<Р„

где ип- нормальная скорость распространения пламени в смеси с порошком; и0- нормальная скорость распространения пламени в смеси без порошка; г - коэффициент активности ингибирования, представляющий собой отношение действительного числа реакций рекомбинации на поверхности к общему числу радикалов, сталкивающихся с поверхностью; 10 - средняя длина свободного пробега радикала; рг - плотность частицы порошка; 11г - средний радиус частицы порошка; срп - функция парциального давления горючего и окислителя и энергии активации разветвления цепей; q - концентрация порошка.

По зависимостям 24 и 25 можно прогнозировать и планировать дисперсность огнетушащих порошков на основе хлористого калия, аммофоса и бикарбоната натрия для получения заданной эффективности тушения (огнетушашую концентрацию). При этом могут быть оптимизированы как затраты на изготовление порошка, так и количество крупной фракции, обеспечивающей несущий эффект для проникновения огнетушащего порошка в пламя.

С учетом 24, 25 и данных по дисперсностям огнетушащих порошков, полученных на системе «5ргау1ес» оценена эффективность тушения. Для этого использовались обобщения экспериментальных данных.

' "-ЛН

где - Сср - средняя огнетушащая концентрация, кг/м3; Ст]- -огнетушащая концентрация частиц заданного размера, кг/м3; ^ - доля частиц заданного размера в огнетушащем порошке; С р£ - эффективность тушения %.

В качестве примера приведен расчет эффективности тушения для исследуемого огнетушащего порошка ПХК (2000 г), на основании экспериментальных данных он имеет среднюю огнетушащую концентрацию 0,365 кг/м3.

Таблица 4

Расчет для огнетушащего порошка ПХК (2000 г)._

Размер частиц порошка, d, мкм % данных частиц Средний диаметр, d^, мкм Огнетушащая концентрация, С, кг/м3 Масса данных частиц в порошке, кг % в тушение каждой фракции

0-1,76 0,8 0,88 0,02 0,0029 15,36

1,76-2,92 2,5 2,34 0,05 0,0091 18,05

2,92-4,1 2,88 3,51 0,08 0,0105 13,87

119,83 - 141,86 3,15 130,845 4,37 0,0115 0,26

141,86- 167,94 2,16 154,9 5,36 0,0079 0,15

167,94 -235,37 2,09 201,65 7,28 0,0076 0,10

£99,27

Анализ показывает, что огнетушащий порошок ПХК в своем составе имеет инертные добавки. Для обеспечения результата тушения достаточно активного компонента 0,302 кг/м3 (83%). Соответственно ПХК содержит 83 % хлористого калия и 17 % инертных добавок, при условии равномерного распределения по фракциям, что совпадает с технической документацией на порошок.

Основные выводы и результаты Основным результатом работы является определение количественного вклада теплового эффекта в механизм тушение пламен горючих жидкостей порошками на основе хлористого калия, и создание зависимостей огнетушащей концентрации ОП от диаметра частиц, с

помощью которых можно прогнозировать и планировать дисперсность огнетушащих порошков на основе хлористого калия для получения заданной эффективности тушеши (огнетушащую концентрацию). При этом могут быть оптимизированы как затраты на изготовление порошка, так и количество крупной фракции, обеспечивающей несущий эффект для проникновения огнетушащего порошка в пламя.

В работе получены следующие основные результаты и выводы.

1. Произведена оценка теплового вклада в механизм тушения. Общий вклад теплового эффекта в тушение пламен бензина, октана огнетушащими порошками на основе хлористого калия лежит в пределах 4-10%.

При этом для его корректной оценки исследовано:

2. Впервые методом лазерной дифракции определен фракционный состав, производящихся в России огнетушащих порошков.

3. Сопоставлены результаты экспериментов по определению огнетушащих концентраций порошков на лабораторных установках и в натурных условиях. Получено их удовлетворительное соответствие. Определены огнетушащие концентрации химически активных и химически неактивных компонентов.

4. Экспериментально определены времена тушения бензина Аи-80 и октана огнетушащими порошками при помощи высокоскоростной видеосъемки (500 кадров в секунду). Опытным путем получены максимальные температуры пламени бензина, октана и изопропилового спирта с помощью высокочувствительных термопар и высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя.

5. Впервые проведено исследование огнетушащих порошков (исходных и подвергшихся воздействию пламени при тушении) на сканирующем электронном микроскопе. Согласно полученным результатам, после тушения диффузионных пламен бензина и октана хлористым калием плавлению подвергаются частицы менее 6 мкм. В составе промышленных огнетушащих порошков ПХК, «Завеса» частиц менее 6 мкм (основа хлористый калий) не более 10%.

6. Произведено сравнение размеров частиц подвергающихся плавлению, определенных расчетом, с результатами опытов на сканирующем электронном микроскопе. Получено удовлетворительное соответствие.

7. По результатам оценки теплового вклада и исследования на электронном микроскопе определено, что тушение октана и бензина огнетушащими порошками на основе хлористого калия осуществляется приоритетно за счет химического механизма (предположительно в основном за счет гетерогенного ингибирования на поверхности частиц порошков).

8. Получены зависимости огнетушащей концентрации от дисперсности порошка, позволяющие рассчитывать количество необходимых фракций для наиболее эффективного тушения.

9. Экспериментально подтверждена выведенная Ван-Тиггеленом зависимость предельных условий горения от дисперсности пылевоздушных смесей.

Проведенные исследования показывают на необходимость, изучения химического состава поверхности частицы (для дальнейшего уточненного подтверждения гетерогенного механизма тушения); расширения диапазона исследований зависимостей огнетушащей концентраций от диаметра частиц; развития моделирования процессов на основе дифференциальных моделей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Бухтояров Д.В., Копылов С.Н., Кущук В.А., Никонова Е.В., Попов A.B. Установки импульсного пожаротушения// Пожарная безопасность. - 2005, №3, с 53 - 60.

2. Бухтояров Д.В., Копылов С.Н., Казаков A.B., Попов A.B. Тлеющее горение: Особенности. Модельный очаг// Пожарная безопасность. - 2008, №3, с 63 - 66.

3. Бухтояров Д.В., Кущук В.А. Лабораторные и полигонные испытания по определению огнетушащих концентраций для локально-объемного тушения порошками. Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы XXI Международной научно-практической конференции. - 4.2. - М.: ВНИИПО, 2009. - 394 с.

4. Кущук В.А., Бухтояров Д.В. Огнетушащие порошки как локально-объемные средства пожаротушения: Юбилейный сборник трудов ФГУ ВНИИПО МЧС России/ под общ. ред. Н.П. Копылова. - М.: ВНИИПО, 2007. - 477 с.

5. Бухтояров Д.В., Копылов С.Н., Кущук В.А., Сопоставление эффективности огнетушащих порошковых составов. Проблемы горения и тушения пожаров. Сб. науч. тр./ под ред. Н.П. Копылова - М.: ВНИИПО. 2010. Вып.2.233 с. ДСП.

6. Бухтояров Д.В., Кущук В.А. Оценка роли теплового механизма в тушение пламен порошками. Проблемы промышленной безопасности и охраны труда в металлургии: Труды VII Международной научно-практической конференции. - М.: 2003. - с 76 - 79.

7. Копылов С.Н. Кущук В.А., Бухтояров Д.В. Моделирование условий локально-объемного тушения огнетушащими порошками. Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы XXI Международной научно-практической конференции. - 4.2. - М.: ВНИИПО, 2009.-394 с.

8. Бухтояров Д.В. Лабораторные испытания и методика определения огнетушащей концентрации порошковых составов при их подаче сверху// - Пожарная безопасность. - 2010, №3, с 130 - 133.

Подписано в печать 30.12.2010 г. Ф. 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Тираж - 100 экз. Заказ № 74.

Типография ФГУ ВНИИПО МЧС России мкр. ВНИИПО, д. 12, г. Балашиха, Московская обл., 143903