Диспергирование жидкости интегрированными устройствами дымоподавления и пожаротушения

Естественным стремлением пожарных всего мира является попытка потушить пожар на ранней стадии его развития. Работы по созданию средств пожаротушения и способов их применения, отработке тактических приемов их использования проводятся как у нас в стране, так и за рубежом.

Ключевым вопросом по-прежнему остается эффективность средств пожаротушения. Прибывающие на пожар, в начальной стадии его развития, немногочисленные пожарные подразделения повсеместно сталкиваются с проблемами обеспечения безопасности людей, организации проведения разведки, локализации и ликвидации горения. Все работы этой стадии пожара проводятся в зданиях и сооружениях с нарастающей плотностью дыма. В таких условиях высокая токсичность продуктов горения и задымленность помещений вплоть до полной потери видимости являются основными причинами роста гибели людей. Анализ статистических данных свидетельствует, что в 1994 году число погибших от воздействия продуктов горения.

• при пожарах в России достигло рубежа Ю000 человек и составляет 75% всех случаев гибели людей. Это соизмеримо с общим числом погибших при пожарах в 1990 году [105].

В причинах травматизма людей доля продуктов горения составляет около 36% от общего числа. Использование горючих материалов для отделки помещений транспортных средств обуславливает высокий уровень воздействия на людей от продуктов горения (70% от общего числа случаев). При возникновении возгорания обильное выделение дыма и интенсивное развитие горения затрудняют или делают невозможным ограничение распространения и тушение очага пожара.

Вместе с тем, в обеспечении видимости на пожарах с плотным задымлением за последние 45−50 лет не произошло существенных сдвигов, несмотря на прогресс в развитии средств осаждения аэрозолей и теплови-зионной техники, применяемых при других аварийно-спасательных работах [66].

Имеющиеся на вооружении технические средства позволяют успешно решать задачи тушения. В тоже время уже сейчас имеются предпосылки для создания и последующего внедрения принципиально новых средств, * которыми, например, можно не только ликвидировать горение, но и снижать опасную концентрацию продуктов горения и улучшать условия видимости. Так, интегрирование (совмещение) устройств дымоподавления и пожаротушения в единую систему позволит получить значительные преимущества. Они в состоянии осуществить целенаправленное тушение, позволяя избежать нерационального расходования сил и средств. Однако, несмотря на перспективность использования, подобные интегрированные устройства еще находятся в стадии разработки для системы пожарной безопасности. Для их широкого применения необходимо объединить в одном способе и устройстве возможности как одновременного или поэтапного подавления дыма, так и тушения очага пожара. Кроме того, проектирование рассматриваемых интегрированных устройств должно включать оптимиза-^ цию управления параметрами его работы с учетом особенностей способов дымоподавления и пожаротушения.

Дымозащита зданий и сооружений направлена преимущественно на обеспечение безопасных условий эвакуации. Наличие подобных устройств при возникновении пожара дает определенную возможность выхода людей из помещений объекта, в котором возник пожар. Однако вероятность задымления в помещениях и на этажах все же не исключается. Кроме того, случаи неработоспособности вентиляционных систем при пожарах доходят до 80% [173].

Одним из путей уменьшения задымленности может стать проектирование систем выведения продуктов горения из взвешенного состояния. Так, на основе изучения физико-химических методов очистки газовой среды от аэрозолей и механизмов торможения горения сделан вывод о возможности получения необходимых параметров пожародымоподавления путем использования тонкодисперсного распыла в виде водяного аэрозоля. При этом возможности поэтапного и одновременного проведения этого процесса определяются, главным образом, следующими параметрами распыла: давлением подачи, дисперсностью капель, плотностью орошения потоком, а также геометрией его факела.

Последние десятилетия в этой области пожарной безопасности одно* временно развиваются два направления — создание ультрадисперсных (туманнообразных) факелов орошения акустическим озвучиванием или перегревом воды и водных растворов выше температуры кипения на несколько десятков градусов [17,21,28,46,130,172,178].

Теоретико-экспериментальными исследованиями установлено, что по мере развития пожара тушение водяным распылом, получаемым акустическим способом, является малоэффективным. С учетом этого рекомендуют применять смесь воды с нейтральным газом, таким, например, как азот или водяной пар [172]. Поэтому особые перспективы в создании водяного аэрозольного распыла в настоящее время связываются с использованием перегретой жидкости. При экспериментах и практическом использовании отмечается ее высокая тушащая способность. ^ Проведенные в настоящее временя исследования тушения диспергированной перегретой жидкостьювключают в себя, как правило, мелкомасштабные огневые испытания. По мнению самих же исследователей отсутствие соотвествующего инструментально-технического оснащения приводит к низкой точности проводимых теплофизических измерений. При этом о результатах дымоподавления судят, как о второстепенном действии.

В последние несколько лет можно констатировать возникновение качественно нового этапа в пожаротушении диспергированной жидкостью, связанного с введением в нее разного рода химических добавок [14,171]. Обобщая результаты полигонный испытаний этого направления, можно сделать вывод, что подобные попытки усиления тушащей способностей проводятся по результатам тушения обычными распыленными струями.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют теоретические подхо ды, связанные с созданием интегрированных устройств пожародымоподав-ления. Кроме того, для успешного использования ими перегретой жидкости необходимы исследования структурообразования возникающих неизотермических газожидкостных потоков. Не разработаны также учитывающие динамику их формирования, физико-химические способы ликвидации задымленности и тушения очага пожара и устройства для осуществления этих процессов.

• Целью диссертационной работы является изучение условий формирования диспергированного потока и разработка, на основе оптимизации его характеристик, технологии распыливания жидкости для интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

— изучить условия получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;

— построить модели, характеризующие теплофизические процессы диспергирования газожидкостного потока;

— основываясь на методе ИК-термографии, провести стендовые эксперименты структурообразования, а также формирования расходных и.

Ф дисперсных характеристик потока;

— создать рациональную конструкцию распылителя и технологию получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследовать их функциональность в серии стендовых и полигонных огневых испытаниях.

На защиту выносятся результаты:

— теоретико-экспериментального изучения условий получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;

— моделирования теплофизических процессов диспергирования га-зожидкосгного потока;

— стендовых экспериментов структурообразования, а также формирования расходных и дисперсных характеристик потока, основанных на использовании метода ИК-термографии;

— проектирования диспергирующего устройства и технологии получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследования их функциональности в серии стендовых и полигонных огневых испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— предложены математические и экспериментально-статистические модели, а также методики испытаний трансформирования водяного распыла аэрозольного типа;

— определена аналитически и экспериментально на основе метода ИК-термографии дымоподавляющая и тушащая способность диспергированной перегретой жидкости;

— созданы теоретико-экспериментальные основы управления параметрами неизотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами;

— разработаны и испытаны в натурных условиях способы пожароды-моподавления и устройства для их осуществления, признанные изобретениями положительными решениями патентно-технической экспертизы;

— установлен круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройства пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные математические модели позволяют определить оптимальные условия структурообразования капельного потока для обеспечения поэтапного или одновременного дымоподавления и пожаротушения.

Практическую ценность имеют разработанные технологические основы диспергирования жидкости, реализуемые в устройствах передвижного и стационарного исполнения. Перспективно их использование в помещениях различного назначения или технологических установках, а также пожарными подразделениями для оперативного пожаротушения и ведения аварийно-спасательных работ.

Использование разработанных математических моделей и методик испытаний позволяет оценить последовательное или одновременное улучшение видимости, уменьшение до безопасных значений концентрации опасных газов, охлаждение их, а также ослабление теплового потока и ликвидацию очага пожара.

Саздание и внедрение устройств, с помощью которых можно решать одновременно несколько задач, характерных для неразвившегося пожара, повысит успешность действий по его ликвидации.

Практическая реализация работы. Полученные в диссертации результаты находят использование при проектировании автономных модулей для получения перегретой воды, по материалам исследований производится вариантная проработка систем противопожарной защиты на тепловых станциях объединений «Донбассэнерго», «Днепроэнерго» и «Каприкорн» .

Опубликованные материалы исследований, обобщенные в диссертации, вошли в лекцию. Результаты работы по интегрированию устройств дымоподавления и пожаротушения используются в учебном процессе МИПБ и СПб ВПТШ МВД России по дисциплинам «Общая физика и теплообмен», «Пожарнаятехника» и «Пожарная тактика» .

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были представлены на ежегодных международных конференци.

• ях «Информатизация систем безопасности» (1994;1996 гг.) — во ВНИИПО на XIII Всероссийской научно-практической конференции «Пожарная безопас-ность-95» (1995 г.) и на «Научной конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ» (1995 г.) — на научно-практической конференции в МИПБ «Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах. Пожарная безопасность-96» — на международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность и методы ее контроля» (1997 г.) — на межотраслевом научно-практическом семинаре «Сверхраннее обнаружение и тушение пожаров» (1994 г.) — на научных семинарах кафедр МИПБ и СПб ВПТШ .

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, в том числе лекции и двух заявках на патенты.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка ли.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. В диссертации решались научно-практические вопросы о совместном.

9 обеспечении подавления горения, улучшения условий видимости, снижения концентраций опасных продуктов горения и температуры газовоздушной среды в защищаемом объеме. В ней дается оценка опасности дыма, методов очистки газовой среды от аэрозолей и средств пожаротушения, которая выявила необходимость создания интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения. Показано, что, несмотря на отмечаемую перспективность использования водяного распыла, до настоящего времени вопрос о формировании тонкодисперсного капельного потока, способного интенсивно как подавлять дым, так и ликвидировать горение является малоизученным.

2. Методом динамического программирования задача обоснования критерия функционирования интегрированного устройства сведена к выбору характера распыла. Так, увеличение скорости коагуляции водяных.

Ф капель с дымовыми частицами при фиксированном значении их размера обеспечивается максимизацией скорости турбулентных пульсаций в газожидкостном потоке при минимизации их масштаба.

Формализация теоретических предпосылок, характеризующих диспергирование газожидкостного потока, позволила определить задачу оптимизации его параметров в снижении интенсивности подачи жидкости, размера капель и увеличении активного участка струи.

3. Проведен выбор типа и на основе теории теплового пограничного слоя с учетом полученной математической модели Определения толщины потери энергии спрофилирован распылитель в виде сопла Лаваля для диспергирования перегретой жидкости. Совместное рассмотрение степени теплоотдачи расширяющейся части сопел Лаваля и длины жидкой части струи на выходе из них позволило установить, что оптимальным для.

9 получения минимальной степени расширения потока является диапазон 4−6°.

Дальнейшее увеличение угла конусности способствует укорочению центрального ядра и, как следствие, расширению диспергированного потока.

Функциональность распылителя изучена в ходе лабораторных, стендовых и крупномасштабных исследований с использованием метода ИК термографии. Полученные при анализе их результатов экспериментально" статистические модели позволили сделать вывод, что дисперсность капель в интервале 20−70 мкм, обеспечивающая одновременность проведения дымоподавления, экстинкции теплового потока от очага пожара и его тушение, достигается перегревом жидкости до 140−160 °С. В интервале этих температур для 6-ти исследованных насадков обеспечивается также максимальная протяженность активного участка струи.

4. Методом ИК-термографии экспериментально подтвержена гипотеза о наличии в неизотермическом потоке диспергированной перегретой жидкости ядра, окруженного периферийным кольцом парокапельного слоя. Установлена связь между геометрическими параметрами ядра струи и длиной ее активного участка. На основе фундаментальных представлениях о формировании турбулентности струй и допущениях, справедливость.

• которых проверена экспериментально, предложены следующие Математические модели:

— нарастания зоны смешения в рамках теории пограничного слоя;

— активного участка газожидкостного неизотермического потока;

— внезапного диспергирования в ограниченный протяженный проем;

— эжекционного действия струи на протяжении активного ее участка.

Разработанные модели позволяют оценить трансформирование турбулентности струй при большой относительной температуре и определить требуемые параметры диспергированного потока для конкретных условий организации его подачи.

5. Установлена возможность управления параметрами неизотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами. Так, с использованием тепловизионной оценки диспергирования, организации подачи, результатов дымоподавления и тушения тестовых очагов получена возможность генерирования пеноаэрозольного распыла введением специального концентрированного состава, который термовспе-нивается в газожидкостном потоке.

Теоретическими исследованиями установлено, что интенсивность коа-гуляционных процессов в пеноаэрозольном распыле определяется темпера-турно-скоростными распределениями и размерами области распыла с гладкой вихревой структурой. Торможение капель раствора и возникающих пузырьков обеспечивает поддержание их концентрации на активном участке струи. При этом конкурирование явлений их коагуляции и дробления характерно для зоны разрушения осевой симметрии неизотермического потока.

6. Исследованиями турбулентного переноса и осаждения дымовых аэрозольных частиц, включающих в себя изучение их морфологических свойств, сопоставления трехмерных карт локальных значений оптической плотности дыма, температуры и токсичности среды в закрытом помещении, доказано, что их динамика определяется дисперсностью, распределением локальной плотности орошения и протяженностью активного участка струи.

Достижение порогового значения для терморазложения древесины (сосны) не превышала 20−25 секунд при диспергировании перегретой жидкости со среднеарифметическим диаметром капель 95−110 мкм и интенсивностью подачи 0,01−0,015 л/(м3 с).

Создание гетерогенного потока, образованного дискретно летящими полидисперсными вспененными агрегатами, каплями и паровой фазой, обеспечивает благоприятные условия для быстропротекающего вовлечения в движение, захват и выведение из взвешенного состояния дымовых аэрозольных частиц при концентрации термовспенивающегося состава около 0,5% (объемных).

Использование тепловизионного комплекса для коррекции подачи в очаг пожара струи воды аэрозольного распыла позволяет обеспечить полное насыщение ею горящих поверхностей твердого горючего материала за минимальное время при интенсивности подачи воды около 0,2 л/(м2с).

Введение

термовспенивающихся составов позволяет сократить до полутора раз время диспергирования, необходимого для понижения температуры в тестовом очаге, при которой невозможен выход горючих газов.

7. Предложены способы пожародымоподавления и устройства для их осуществления в переносном и стационарном исполнении. Применение разработанного распылителя в составе собранного макета интегрированного устройства позволяет последовательно или одновременно улучшить видимость, уменьшить до безопасных значений концентрации опасных газов, охладить их, а также ослабить тепловой поток и ликвидировать очаг пожара.

8. Выполненные исследования позволяют определить круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройства пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.

К таким вопросам относятся:

— построение математических моделей движения вихревых структур, а также численное моделирование мелкомасштабной турбулентности неизотермических капельных струй;

— исследование возможностей использования вычислительной ИК-термографии для получения, накопления и обработки данных о формировании и применении газожидкостного потока на основе полученных в диссертационной работе математических моделей;

— совершенствование физико-химических подходов управления термической турбулентностью на активном (начальном) участке струй;

— изучение условий нейтрализации водногранулированными струями трудноулавливаемой фракции дисперсной фазы дыма и сильнодействующих ядовитых веществ в любом агрегатном состоянии;

— разработка новых технических решений интегрирования устройств пожародымоподавления.