ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій
та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи
Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки
Ємець Андрій Олександрович
УДК 614.844.2
АНАЛІЗ І ОБГРУНТУВАННЯ УМОВ ГАСІННЯ ПОЖЕЖ
В ЗАмкненИХ ПРИМІЩЕННЯХ СУДЕН
ВОДНИМИ ВОГНЕГАСНИМИ РЕЧОВИНАМИ
21.06.02 - Пожежна безпека
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2003
Дисертація є рукописом
Роботу виконано в Севастопольському військово-морському ордена Червоної Зірки інституті ім. П.С.Нахімова Військово-морських Сил Збройних Сил України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Головін Віктор Іванович, Севастопольський військово-морський ордена Червоної Зірки інститут ім. П.С.Нахімова, м. Севастополь, начальник кафедри живучості кораблів, водолазних та суднопідіймальних робіт
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Булгаков Юрій Федорович, Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, завідувач кафедри охорони праці та аерології;
кандидат технічних наук Дунюшкін Володимир Олександрович, науково-виробниче підприємство ”Фактор” , м. Київ, начальник відділу автоматизованих систем пожежогасіння.
Провідна установа: Академія пожежної безпеки України, м. Харків.
Захист відбудеться 11 вересня 2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України, 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.
Автореферат розіслано 9 серпня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Антонов А.В.
Актуальність теми. Аналіз статистики аварій суден показує, що у 35 % випадків вони пов’язані з пожежами та вибухами, які за кількістю посідають друге місце після навігаційних, що свідчить про недостатню ефективність систем газового, водяного та водопінного пожежогасіння, передбачених їх проектною документацією.
Відомо, що вода є найбільш доступною та поширеною вогнегасною речовиною, яка застосовується для гасіння пожеж, що виникають на суднах, переважно в їх закритих приміщеннях. В той же час застосування води, регламентоване сучасними нормативною та методичною базами в існуючих спринклерних та дренчерних установках водяного пожежогасіння, а також у вигляді компактних та розпилених струменів, призводить до виведення з ладу обладнання, приладів, затоплення приміщень, втрати плавучості та остійності суден. Прикладом може бути пожежа, яка сталася на сухогрузі ”Гесс” у січні 2003 року, під час гасіння якої подаванням компактних та розпилених струменів води протягом понад 70 годин судно було напівзатоплене, внаслідок пожежі та застосованої технології гасіння завдано мільйонних збитків.
Достатньо ефективні екологічно безпечні технології пожежогасіння тонкорозпиленими водними вогнегасними речовинами, які все більше застосовуються на об’єктах різного призначення, ще не набули в Україні поширення в системах протипожежного захисту суден. Це зумовлено відсутністю відповідних технічних вимог та методів розрахунку таких систем внаслідок недостатнього рівня знань щодо особливостей процесів взаємодії водних вогнегасних речовин, розпилених в об'ємах просторів суднових приміщень з газоповітряним середовищем (ГПС), що утворюється під час виникнення в них пожеж. У цьому зв’язку розкриття особливостей процесів тепломасообміну та гасіння пожежі у замкненому просторі суднового приміщення під час подавання в нього тонкорозпилених водних вогнегасних речовин (ВВР) є актуальною задачею, вирішення якої дозволить обґрунтувати умови ефективного гасіння, підвищити рівень безпеки людей, а також ефективність протипожежного захисту таких об’єктів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до "Національної програми забезпечення пожежної безпеки на 1995 – 2000 рр.", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 03.04.95 р. № , "Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 р.", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 1 липня 2002 р. №870, Директиви Заступника Міністра оборони України – Командуючого ВМС ЗС України від 30.01.1998 р. "Про першочергові дії щодо забезпечення живучості кораблів і суден ВМС України", а також згідно з науково-дослідною роботою "Пожежа К", яка виконувалась за планом науково-дослідних робіт ВМС ЗС України на 2002 рік.
Ідея роботи – підвищення ефективності протипожежного захисту закритих суднових приміщень шляхом одночасної реалізації охолоджувального, інгібірувального та флегматизувального ефектів під час застосування технології тонкого розпилення екологічно безпечних ВВР в об'ємі їх простору.
Мета роботи – розкриття особливостей взаємодії краплин тонкодисперсних ВВР, розподілених в об'ємі закритого простору, з ГПС, а також визначення необхідних умов та параметрів їх подавання для проведення розрахунків систем протипожежного захисту, що забезпечують ефективне гасіння пожеж у закритих суднових приміщеннях.
Завдання досліджень. Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі задачі:
- провести аналіз статистики аварій, ефективності роботи існуючих систем протипожежного захисту суден, а також гасіння пожеж тонкорозпиленою водою та ВВР;
- розробити спосіб рівномірного заповнення всього об'єму закритого приміщення тонкорозпиленими ВВР заданої дисперсності;
- розробити математичну модель утворення і розподілення краплин з дисперсністю в діапазоні 50-300 мкм у закритому об’ємі приміщення в залежності від основних параметрів розпилювачів, тиску перед ними та фізичних характеристик ВВР для теоретичного обгрунтування найбільш доцільних параметрів, експериментально підтвердити ефективність їх застосування;
- розробити математичну модель тепломасообміну між краплинами ВВР з дисперсністю в діапазоні 50-300 мкм і ГПС закритого приміщення з урахуванням виділення тепла з вогнища пожежі, провести теоретичні розрахунки та експериментально виявити найбільш доцільний середній діаметр краплин, а також інтенсивність та тривалість подавання тонкорозпилених ВВР, за яких досягається ефективне гасіння пожежі в закритому просторі приміщення судна;
- провести експериментальні дослідження інгібірувальної та вогнегасної ефективності тонкорозпилених морської та прісної води, а також ВВР на їх основі з добавками неорганічних солей – інгібіторів горіння;
- розробити технічні вимоги та метод розрахунку систем пожежогасіння із застосуванням тонкорозпилених ВВР.
Об'єкт досліджень - процеси тепломасообміну і гасіння пожежі у замкненому просторі суднового приміщення під час подавання в нього тонкорозпилених водних вогнегасних речовин.
Предмет досліджень – виявлення впливу хімічного складу, дисперсності краплин і параметрів подавання тонкорозпилених водних вогнегасних речовин на динаміку зміни температури газоповітряного середовища та ефективність гасіння ними пожеж у закритих об'ємах суднових приміщень.
Методи досліджень - у роботі використано комплексний метод досліджень, який включав: аналіз та узагальнення науково-технічних досягнень з питання гасіння пожеж розпиленими ВВР за літературними джерелами; імітаційне моделювання з розробленням та використанням комп’ютерних програм розрахунку методом Рунге-Кута; оптичний метод вимірювання дисперсності краплин ВВР; метод вимірювання температури ГПС із застосуванням термопар; метод оптичної спектроскопії для реєстрації зміни інтенсивності випромінювання ОН-радикалів полум’я під дією ВВР; натурні вогневі випробування з використанням макетних вогнищ пожежі класу В за поверхневого та об’ємного способів їх гасіння; методи математичної статистики для перевірки достовірності отриманих результатів.
Наукова новизна одержаних результатів та наукове значення роботи полягають у розкритті особливостей взаємодії краплин тонкодисперсних ВВР, розподілених в об'ємі закритого простору, з ГПС, а також у визначенні необхідних умов та параметрів їх подавання для проведення розрахунків систем протипожежного захисту, що забезпечують ефективне гасіння пожеж у закритих суднових приміщеннях. При цьому:
- вперше розроблено спосіб заповнення вільного простору закритого суднового приміщення краплинами розпиленої ВВР за допомогою блоків спеціальних форсунок відцентрового типу зорієнтованих по факелу горизонтального розпилення, який захищено патентом України;
- вперше із застосуванням розробленої математичної моделі та запропонованої комп’ютерної програми її чисельного вирішення розраховано та експериментально підтверджено проведеними натурними вогневими випробуваннями в закритому приміщенні об'ємом 93,5 м3 ефективне гасіння макетних вогнищ пожежі класу В з застосуванням води з середнім діаметром краплин 140 мкм за інтенсивності подавання 0,016 кг/(м3с). Гасіння досягається за проміжок часу, що не перевищує 60 с, при цьому середньооб'ємна температура ГПС знижується з 473 К до 310 К;
- вперше із застосуванням методу оптичної спектроскопії за зміною інтенсивності випромінювання ОН-радикалів полум'я досліджено інгібірувальну, а натурними вогневими випробуваннями вогнегасну ефективність тонкорозпилених прісної та морської води, а також розчинів хлоридів натрію і калію та нітрату калію на їх основі в залежності від їх концентрації. Встановлено, що для досліджених ВВР в умовах випробувань ряд ефективності має вигляд: 20%NaCl > 20%KCl > 20%KNO3 >15%NaCl > 15%KCl > 15%KNO3 > 10%NaCl > >10%KCl > 10%KNO3 > морська вода > прісна вода;
- вперше теоретичними та експериментальними дослідженнями обгрунтовано основні технічні вимоги та метод розрахунку до проектування системи гасіння водними вогнегасними речовинами об’ємним способом (СГВВРОС) закритих суднових приміщень, а саме: середній діаметр краплин ВВР у межах від 100 до 150 мкм, інтенсивність подавання ВВР не нижче ніж 0,032 кг/(м3с), тривалість подавання не менше ніж 120 с. Як ВВР можна застосовувати прісну, морську воду та розчини в них хлоридів калію, натрію або нітрату калію з концентрацією не вище 20%.
Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи використано застосуванням розроблених технічних вимог і методу розрахунку під час проектування тренажера, який створено та експлуатується протягом року на пожежному полігоні Севастопольського ВМІ ім. П.С.Нахімова під час підготовки екіпажів суден за навчальним курсом боротьби за живучість суден при пожежах. На стенді забезпечуються максимально наближені до реальних процеси виникнення і розвитку пожежі в закритому судновому приміщенні об'ємом 93,5 м3, яке імітує енергетичний відсік судна, та процес ії гасіння із застосуванням технології тонкого розпилення ВВР. На основі результатів дисертаційних досліджень обгрунтовано сучасні вимоги до забезпечення протипожежного захисту кораблів ВМС ЗС України в частині застосування на цих об'єктах технологій пожежогасіння екологічно безпечними тонкорозпиленими ВВР, що було здійснено Науковим центром ВМС ЗС України у відповідних рекомендаціях.
Особистий внесок здобувача. В роботах, які опубліковані у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у розробленні способу заповнення вільного простору закритого суднового приміщення краплинами розпиленої ВВР за допомогою блоків спеціальних форсунок відцентрового типу, зорієнтованих по факелу горизонтального розпилення [8], визначенні особливостей використання СГВВРОС у закритих приміщеннях [3], розробленні математичної моделі процесів тепломасообміну між краплинами різної дисперсності розпиленої ВВР та ГПС із урахуванням зміни тепловиділення з вогнища пожежі [5], розробленні методу розрахунку СГВВРОС для закритих приміщень суден [6], визначенні ингібірувальної ефективності прісної та морської води, а також розчинів хлоридів калію, натрію або нітрату калію на їх основі [7].
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідались на:
- V Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы охраны труда и техногеноэкологической безопасности" (Севастополь, 1997);
- VII Міжнародній науково-технічній конференції "Прикладные проблемы механики
жидкости и газа" (Севастополь, 1998);
- науково-технічній конференції "Проблемы судостроения и судоремонта" (Севастополь, 1997);
- I науково-технічній конференції "Проблемы строительства и развития ВМС Украины" (Севастополь, 1998);
- Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 55-річчю ЦКБ “Чорноморець” "Перспективные пути развития судостроения в 21 веке" (Севастополь, 2002);
- Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми пожежної безпеки. Ліквідація аварій і їхніх наслідків" (Донецьк, 2002).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 наукових праць, з яких 7 статей у фахових виданнях, які включено до переліку ВАК України, 6 тез доповідей на науково-практичних конференціях, а також 1 патент України.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел зі 155 найменувань, 4 додатків. Дисертацію викладено на 191 сторінках друкованого тексту, включно з 44 ілюстраціями та 33 таблицями.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі наведено результати аналізу статистики пожеж під час аварій суден, існуючих способів і засобів боротьби з пожежами на них в Україні, а також стан питання щодо гасіння пожеж розпиленою водою. Визначено особливості та специфіку розвитку суднових пожеж і боротьби з ними. Розкрито недоліки систем пожежогасіння, які застосовуються на суднах України, які не в повній мірі вирішують задачі їх протипожежного захисту.
З аналізу літературних джерел та нормативних документів щодо застосування для гасіння пожеж водою випливає, що в теперішній час вона використовується насамперед для охолодження поверхні, що горить. Даний метод гасіння знайшов своє застосування у дренчерних і спринклерних установках систем пожежогасіння. Такі системи застосовуються на сучасних суднах, але вони мають ряд недоліків, які не дозволяють повною мірою забезпечити ефективний протипожежний захист суден усіх класів.
Зроблено висновок, що перспективною технологією гасіння пожеж для суднових умов є використання води, або води з модифікуючими добавками в тонкорозпиленому вигляді.
На підставі аналізу і теоретичного обґрунтування сформульовано мету і задачі досліджень.
У другому розділі наведено результати теоретичних досліджень фізичних процесів, що відбуваються в судновому приміщенні у процесі розвитку пожежі за тонкого розпилення ВВР в його об’ємі. Із використанням законів термодинаміки змодельовано процеси тепломасообміну, що відбуваються між краплинами ВВР і ГПС приміщення, в якому відбувається гасіння пожежі тонкорозпиленою ВВР. Зміну стану ГПС приміщення наочно представлено на діаграмі стану вологого повітря Id , рис. 1. На діаграмі: точка А відповідає стану ГПС до пожежі; точка В – початку подавання розпиленої ВВР; точка С характеризує максимальну кількість водяної пари, що може утворитися у приміщенні; точка Д відноситься до характеристики кінцевого стану ГПС.
За результатами проведених теоретичних досліджень розроблено спосіб гасіння пожежі та зниження температури ГПС шляхом подавання рівномірно розподіленого по всьому об’єму закритого простору приміщення судна тонкорозпиленого ВВР. Конструктивно спосіб реалізується застосуванням блоків розпилення, встановлених у підстельному просторі приміщення. Кожен блок складається з набору відцентрових форсунок, що розпилюють ВВР у горизонтальній площині таким чином, щоб їх факели розпилення (ФР) заповнювали верхню область вільного простору приміщення (зона розпилення), рис. 2. Однорідність густини розпилення досягається підбиранням форсунок з певними характеристиками чи накладанням факелів розпилення від декількох форсунок. Область вільного об’єму, розташована під зоною розпилення, являє собою зону осідання. Заповнення зони осідання відбувається в результаті осідання краплин води та їх перемішування з газоповітряними потоками. Рівномірність процесів тепломасообміну під час розпилення води цим способом забезпечується тим, що відбувається її змішування з верхніми, найбільш нагрітими шарами ГПС приміщення.
Рис. 1. Діаграма Id процесу зміни параметрів ГПС під час розпилювання води у приміщенні
Рис. 2. Схема розпилення ВВР у закритому просторі блоком відцентрових форсунок
Для визначення закономірностей зміни параметрів розпилення і розподілення краплин з дисперсністю в діапазоні 50-300 мкм у закритому об’ємі приміщення в залежності від основних параметрів розпилювачів, тиску перед ними та фізичних характеристик ВВР проведено математичне моделювання процесів, які відбуваються під час розпилення, з урахуванням критерія Рейнольдса. В основу математичної моделі покладено теорія розпилення рідини відцентровими форсунками, руху одиночної краплини в потоці газу з урахуванням його в'язкості, розрахунок параметрів газового струменя нестаціонарного плину. Для визначення концентрації краплин ВВР у ФР весь його об’єм умовно представлено власне факелом розпилення, основною ділянкою та ділянкою осідання.
Об’єм власне факела розпилення , м3, визначається як об’єм конуса висотою і радіусом основи :
. (1)
Об’єм основної ділянки ФР розраховується виходячи з умови, що краплини води, під час осідання, рухаються зі змінною швидкістю газового потоку в горизонтальному напрямку . Довжина ФР у горизонтальному напрямку визначається величиною , а тривалість осідання краплин на основній ділянці ФР визначається формулою
. Розклавши основну ділянку на прості фігури, одержуємо математичний вираз її об’єму:
(2)
де - кут нахилу траєкторії руху краплини у ФР.
Ширина ФР в горизонтальній площині приймається рівною 2 по всій довжині основної ділянки. Сумарна величина площі сліду основної ділянки на горизонтальній площині визначається за формулою .
Об’єм простору, заповненого краплинами в зоні осідання, визначається, виходячи з загальної висоти приміщення , м:
, (3)
де висота зони розпилення визначається за формулою
Об’єм ФР становитиме:
(4)
Кількість краплин в об’ємі факела розпилення визначається виразом:
(5)
де - проміжок часу, с, протягом якого краплини проходять відстань від зрізу сопла форсунки до границі області розпилення. Цей проміжок часу являє собою суму тривалості релаксації краплини води відносно ГПС у власне факелі розпилення , тривалості перебування краплини в об’ємі основної ділянки ФР в зоні розпилення і тривалості седиментації краплини в зоні осідання .
. (6)
Кількість краплин ВВР в одному кубічному метрі ФР визначається виразом:
(7)
Усереднене значення для об'єму приміщення розраховується з урахуванням коефіцієнта нерівномірності , який визначають за формулою:
, (8)
де - об’єм приміщення, м3; - частина об’єму приміщення, заповнюваного розпиленою водою i-ї форсунки; n - загальна кількість факелів розпилення в розглянутому приміщенні. Середньооб’ємна концентрація краплин води є визначальною для розрахунку форсунок і підбору розпилювального апарата, що забезпечує необхідні характеристики розпиленої води в ГПС приміщення. Необхідно відзначити, що фізичні параметри ГПС і води, використовувані в розрахунках, визначаються величиною температури цих середовищ за нормального тиску, що враховується відповідними математичними залежностями.
В основі математичної моделі тепломасообміну під час об'ємного розпилення води в ГПС АП лежать основні рівняння теорії тепломасообміну та напівемпіричні залежності, одержані в результаті узагальнення експериментальних даних. Моделювання процесів тепломасообміну проведено з урахуванням критеріїв Рейнольдса, Нусельта, та Шервуда. Кількість тепла, яка виділяється вогнищем пожежі, визначали за відомим рівнянням
(9)
де - концентрація кисню в ГПС приміщення до пожежі; a - коефіцієнт інтенсивності вигоряння кисню, с; - коефіцієнт, що враховує втрати тепла в огороджувальних конструкціях; - кількість теплової енергії (13200 кДж/кг), яка виділяється в результаті взаємодії горючої речовини з одним кілограмом кисню, як встановлено В.І.Головіним.
Кількість теплоти , поглиненої розпиленою ВВР, визначали відповідно до закону Ньютона-Ріхмана за формулою:
, (10)
де - коефіцієнт тепловіддачі від ГПС потоку краплин ВВР для малих значень числа Рейнольдса, Дж/(см2К); - сумарна площа поверхні краплин ВВР, м2; - температура ВВР перед розпилювачем, К; - коефіцієнт теплопровідності ГПС, Вт/(мК).
Масу водяної пари в ГПС, кг, за температури ВВР К визначали за формулою:
, (11)
За температури К кількість водяної пари визначається кількістю води, що випарувалася:
, (12)
де - маса розпиленої ВВР в ГПС приміщення, кг; - коефіцієнт швидкості випаровування, віднесений до різниці парціальних тисків водяної пари, кг/(м2сПа); - концентрація водяної пари безпосередньо при поверхні води, що випаровується (тиск насиченої пари за температури води), Па; - концентрація водяної пари у ГПС приміщення, Па; - коефіцієнт дифузії, м2/с.
Сумарна поверхня краплин води визначається виразом:
. (13)
Маса води у вигляді краплин, що не випарувалися в газоповітряному середовищі приміщення ,:
. (14)
З урахуванням тепловиділень з вогнища пожежі, які розраховуються за формулою (9), зміна температури ГПС і краплин води описується системою диференційних рівнянь:
, (15)
, (16)
де - теплоємність води в рідкому стані, кДж/(кгК); - питома теплота пароутворення, кДж/кг.
За умови К відбувається повне випаровування води в ГПС. Охолодження ГПС визначається виразом:
. (17)
Діаметр краплин води, що випаровуються в ГПС, визначається виразом:
. (18)
Через малі зміни об’єму приміщення в результаті зміни температури стінок прийнято, що ГПС приміщення має постійний об’єм. Тоді залежності густини і маси ГПС від часу визначаються виразами:
, (19)
. (20)
Відповідно до прийнятих допущень усі краплини ВВР, розпилені в ГПС приміщення, випаровуються з однаковою швидкістю, тому загальна кількість краплин ВВР в ГПС визначається виразом:
(21)
Вирази (10) - (20) утворюють систему диференційних рівнянь, у якій кількість невідомих дорівнює кількості рівнянь. Дана система рівнянь являє собою математичну модель процесів тепломасообміну в ГПС приміщення під час об'ємного розпилювання води.
Початковими умовами для розрахунку моделі за t = 0 є:
; ; ; ; ; ; ; ; ;
де - максимальне розрахункове значення температури ГПС під час ймовірної пожежі в приміщенні, К; - маса води в 1 кг ГПС приміщення до подавання ВВР за температури , кг/кг.
Чисельне розв’язання даної системи диференційних рівнянь дозволяє одержати залежності средньооб’ємної температури та маси водяної пари у просторі розглянутого приміщення від параметрів розпилення ВВР і потужності пожежі.
У третьому розділі наведено результати розрахунків та експериментальних досліджень процесів утворення і розподілу краплин з дисперсністю в діапазоні 50-300 мкм у закритому об’ємі приміщення в залежності від основних параметрів розпилювачів, тиску перед ними та фізичних характеристик ВВР, а також тепломасообміну в ГПС. Розрахунки проведено шляхом чисельного розв’язання розроблених математичних моделей із застосуванням запропонованих комп’ютерних програм.
Початковим етапом програми розрахунку утворення і розподілу краплин ВВР в об’ємі приміщення є розрахунки конструктивних параметрів відцентрових форсунок за різних значень кореневого кута розпилення на основі принципу максимальної витрати.
Розрахунок проведено в межах значень від 10 до 100 градусів, витрат розпиленої води у межах від 1 до 17 г/с , тиску ВВР перед форсункою в межах від 0,8 до 3,0 МПа. Прийнято такі граничні значення : мінімальний тиск подавання ВВР у пожежній магістралі судна 0,8 МПа, максимальний тиск - 3 МПа. За результатами проведених досліджень одержано такі залежності:
- максимальної довжини факела в горизонтальному напрямку від кореневого кута розпилення і витрати води через форсунку - ;
- об'ємної концентрації тонкорозпилених ВВР в об’ємі приміщення від тривалості розпилювання та середнього діаметру краплин - (рис.3);
- величини середнього діаметра краплин, утворених під час розпилювання ВВР, від тиску перед форсункою ;
- спектру розпилювання від тиску ВВР перед форсункою .
За результатами проведених досліджень зроблено висновок, що для заданого діапазону робочих тисків подавання ВВР доцільно застосовувати відцентрові форсунки з діаметром вихідного сопла в межах від 0,4 до 0,7 мм. За таких параметрів подавання ВВР утворюються краплини з середнім діаметром у межах від 100 до 300 мкм.
Метою досліджень процесів тепломасообміну під час об'ємного розпилення ВВР в ГПС АП було визначення залежності температури ГПС і маси водяної пари від дисперсності краплин та інтенсивності подавання ВВР: .
Для підтвердження коректності результатів математичних розрахунків, визначення критичної інтенсивності подавання ВВР та тривалості гасіння було проведено експериментальні дослідження процесів розпилення ВВР у закритому об’ємі приміщення відцентровими форсунками із застосуванням спеціально створеної експериментальної установки, а процесу охолодження ГПС - на розробленому експериментальному стенді, що імітує суднове приміщення о'бємом 93,5 м3. Вимірювання температур здійснювали із застосуванням термопар типу ТХА з реєстрацією результатів потенціометром. Як горючу речовину використано дизельне пальне марки Л 0,2-62 у макетних вогнищах пожежі класу В площею 0,49 м2 (S1в) та 1,9 м2 (S2в). Отримані криві залежності тривалості гасіння від інтенсивності подавання розпиленої води наведено на рис.4. Критична інтенсивність подавання розпиленої ВВР для гасіння макетного вогнища залежить від його площі, так при гасінні макетного вогнища з площею S1в ії значення дорівнювало 0,0162 кг/(м3с), а для при гасінні макетного вогнища з площею S2в - 0,0146 кг/(м3с) за середнього діаметра краплин у межах від 100 до 150 мкм.
За результатами досліджень побудовано порівняльний графік залежності параметрів розпилювання від тиску ВВР (рис.5), який ілюструє факт гасіння при подаванні ВВР об’ємнім способом.
Рис.3.Залежність об'ємної концентрації тонкорозпилених ВВР від тривалості їх подавання. Середній діаметр краплин :
1 - 50 мкм; 2 - 100 мкм; 3 - 150 мкм;
4 - 200 мкм; 5 - 250 мкм; 6 - 300 мкм.
Рис. 4. Залежність тривалості гасіння дизельного пального Л 0,2-62 від інтенсивності подавання розпиленої ВВР з середнім діаметром краплин 140 мкм:
1 - вогнище площею 1,9 м2;
2 - вогнище площею 0,49 м2
Рис. 5. Залежність параметрів розпилення від тиску подавання ВВР :
1 - інтенсивність подавання, Iw кг/(м3 с);
2 - поверхнева густина зрошення qs, кг/м2 с);
3 - об'ємна концентрація ВВР qw, кг/м3 ;
4 - лінія критичного значення вогнегасної об'ємної концентрації ВВР за результатами експериментів.
Зменшення критичної інтенсивності подавання ВВР зі збільшенням розміру вогнища можна пояснити більшою відносною кількістю водяної пари, яка утворюється під час розпилювання ВВР і діє додатково як флегматизатор горючого газового середовища.
У четвертому розділі наведено результати експериментального дослідження інгібірувальної та вогнегасної ефективності дистильованої та прісної води, моделі морської води, води Чорноморського басейну і розчинів солей KNO3 , KCl, NaCl на їх основі. Дослідження інгібірувальної ефективності проводили з використанням установки з
дослідження взаємодії вогнегасних речовин із полум'ям методом оптичної спектроскопії за зменшенням інтенсивності випромінювання ОН-радикалів під час їх подавання ежекційним способом до пальника спеціальної конструкції в полум'я н-гептану.
Залежності інгібірувальної ефективності морської та дистильованої води в разі горіння н-гептану від їх масової витрати qекс наведено на рис. 6. Інтенсивність випромінювання ОН-радикалів у полум'ї під час горіння парів гептану в разі подавання морської води на 28% менша, ніж у разі подавання дистильованої води, що свідчить про вищу інгібірувальну ефективність морської води порівняно з дистильованою.
Проведено також дослідження інгібірувальної ефективності концентрованих розчинів KNO3, KCl і NaCl у морській воді. Графічні залежності інгібірувальних властивостей цих розчинів від концентрації за масової витрати 0,016 г/с наведено на рис.7. Експериментальні дані щодо розчинів NaCl 20%-ї концентрації не вдалося одержати, оскільки спостерігалась кристалізація солі, що призводило до закупорювання сопла форсунки експериментальної установки.
Для оцінки вогнегасної ефективності морської води і розчинів солей на її основі використано розроблену ВНДІПО МВС СРСР „Експрес-методику визначення інтенсивності подавання розпиленої води під час гасіння пожеж горючих речовин і матеріалів у приміщеннях та вогнегасної концентрації розпиленої води для гасіння горючих рідин”. Розпилення ВВР здійснювали відцентровою форсункою із заданими параметрами. Витрату ВВР змінювали шляхом регулювання тиску перед розпилювачем. Визначення вогнегасної ефективності досліджуваних водних розчинів проводили за тиску подавання в межах від 0,3 до 2,6 МПа. За результатами дослідів побудовано серія кривих залежності тривалості гасіння від інтенсивності подавання ВВР qВВР , які наведено на рис. 8. Встановлено, що морська вода перевершує прісну за вогнегасною ефективністю. Найбільш ефективними в умовах випробувань з досліджених виявились 20 % розчини NaCl та KCl у морській воді.
У п'ятому розділі викладено метод розрахунку і технічні вимоги до СГВВРОС. Принципову схему СГВВРОС наведено на рис.9. Розроблений метод дозволяє виконати розрахунок блоків розпилення з заданими об'ємною концентрацією ВВР та діаметром її краплин .
Вибір форсунок у кожному блоці та їх спрямування виконують з використанням графоаналітичного методу. Для цього з розрахованого масиву даних щодо ФР по площі стелі складають карту зрошення блоком розпилення шляхом розміщення карт зрошення
Рис. 6. Залежність відносної інтенсивності випромінювання ОН- радикалів полум’я н-гептану від масової витрати речовини, що подається в пальник:
1 - дистильована вода;
2 - морська вода.
Рис. 7. Залежність інгібірувальної ефективності розчинів солей KNO3 та KCl у морській воді від їх концентрації:
1 - розчин KNO3 у морській воді;
2 - розчин KCl у морській воді;
3 - розчин NaCl у морській воді;
4 - дистильована вода;
5 - морська вода.
Рис.8. Залежність тривалості гасіння макетного вогнища (н-гептан) від інтенсивності подавання ВВР:
1 прісна вода ;
2 морська вода ;
3 розчини KNO3 , KCl і NaCl у морській воді.
Рис. 9. Принципова схема СГВВРОС:
1 - резервуар з ВВР;
2 - балон стисненого повітря;
3 - трубопроводи й арматура;
4 - блок розпилювальних форсунок;
5 - вода від пожежної магістралі;
6 - вода від зовнішнього джерела;
7 - приміщення, що підлягає захисту.
ФР окремих форсунок так, щоб покрити всю площу стелі, як показано на рис.2.
Визначальними параметрами під час складання карти зрошення приміщення є задана густина зрошення й оптимальне розміщення карт зрошення ФР форсунок у площині стелі, що дає змогу мінімізувати втрати води, спричинені осіданням краплин на вертикальних перешкодах. Заданої густини зрошення досягають накладанням ФР різних форсунок одного чи декількох блоків, а оптимального розташування карт зрошення окремих ФР окремих форсунок - використанням форсунок з різними кутами розпилення. Після цього виконується гідравлічний розрахунок трубопроводів і арматури СГВВРОС із використанням "Методики гидравлического расчета судовых развлетвленных трубопроводов" [РД 5.76.038 ].
Технічні вимоги до СГВВРОС визначають призначення і склад системи. У кожнім приміщенні судна має бути розташована під стелею система розпилювання, яка складається з трубопроводів і блоків розпилення. Подавання води до блоків розпилення повинне забезпечуватися такими способами: з резервуарів для зберігання ВВР за допомогою стисненого повітря; від будь-якого пожежного насоса судна; від насосів перекачування забортної води, у тому числі призначених для охолодження енергосистем судна, санітарних, баластових; від зовнішнього джерела (судна-рятувальника). Тиск перед блоком розпилення повинен становити не менше ніж 0,8 МПа.
Сумарна витрата розпилюваної речовини на об'єм приміщення, що підлягає захисту, повинна забезпечувати інтенсивність подавання ВВР не менше ніж 0,032 кг/м3с за середнього діаметру краплин 140 мкм та тривалістю подавання протягом не менше ніж 120 с.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукового завдання обгрунтування умов ефективного гасіння пожеж у закритих приміщеннях суден за рахунок застосування в системах їх протипожежного захисту технології тонкого розпилення водних вогнегасних речовин.
Основні висновки за дисертацією такі:
1.Проведений за літературними даними аналіз статистики аварій, а також існуючих систем протипожежного захисту суден показав недостатню ефективність роботи установок газового, водяного та водопінного пожежогасіння, передбачених за проектною документацією, що значною мірою зумовлено реалізацією лише одного, рідше двох ефектів дії вогнегасних речовин на полум'я та газоповітряне середовище, зокрема охолоджувального для води, ізолювального та охолоджувального для піни, а також інгібірувального та флегматизувального для газових вогнегасних речовин. Одним із шляхів підвищення ефективності гасіння пожеж у суднових приміщеннях може бути застосування технології тонкого розпилення та розподілу в об'ємах їх закритих просторів водних вогнегасних речовин (ВВР) з реалізацією одночасного комбінованого прояву охолоджувального, інгібірувального та флегматизувального ефектів;
2. Розроблено і запатентовано в Україні спосіб заповнення вільного простору закритого суднового приміщення краплинами розпиленої ВВР за допомогою блоків спеціальних форсунок відцентрового типу, зорієнтованих по факелу горизонтального розпилення;
3. Розроблено математичну модель утворення і розподілу в об'ємі закритого приміщення краплин ВВР, розпилених відцентровими форсунками, як систему диференційних рівнянь, а також комп’ютерну програму, яка з застосуванням методу Рунге-Кута четвертого порядку дозволяє розраховувати дисперсність краплин, геометричні параметри факелу розпилення та концентрацію ВВР у ГПС приміщення в залежності від основних параметрів форсунок, тиску перед ними та фізичних характеристик ВВР. Адекватність моделі підтверджено експериментальними даними за критерієм Фішера. Визначено, що за тиску перед форсунками в межах від 0,8 до 3,0 МПа, значеннях кореневого кута розпилення в діапазоні від 10 до 100 градусів, діаметрах вихідних сопел форсунок у межах від 0,4 до 0,7 мм генеруються факели розпилення ВВР із середнім діаметром краплин у діапазоні від 100 до 300 мкм;
4. Розроблено математичну модель як систему диференційних рівнянь, яка описує процес тепломасообміну між краплинами різної дисперсності розпиленої ВВР та ГПС із урахуванням зміни тепловиділення з вогнища пожежі. Запропонована комп’ютерна програма чисельного вирішення моделі з застосуванням методу Рунге-Кута четвертого порядку дозволяє розраховувати середньооб'ємну температуру і масу водяної пари в ГПС закритого об'єму приміщення, а також об'ємну концентрацію ВВР у залежності від дисперсності її краплин, інтенсивності та тривалості подавання ВВР. Адекватність моделі підтверджено експериментальними даними за критерієм Фішера. Розраховано та експериментально підтверджено натурними вогневими випробуваннями у закритому приміщенні об'ємом 93,5 м3 ефективне гасіння макетних вогнищ пожежі класу В із застосуванням води з середнім діаметром краплин 140 мкм за інтенсивності подавання 0,016 кг/(м3с). Гасіння досягається за проміжок часу, що не перевищує 60 с, при цьому середньооб'ємна температура ГПС знижується з 473 К до 310 К;
5. Із застосуванням методу оптичної спектроскопії за зміною інтенсивності випромінювання ОН-радикалів полум'я досліджено інгібірувальну, а натурними вогневими випробуваннями вогнегасну ефективність тонкорозпилених прісної та морської води, а також розчинів хлоридів натрію і калію та нітрату калію на їх основі в залежності від концентрації. Встановлено, що для досліджених ВВР ряд ефективності має вигляд:
20%NaCl > 20%KCl > 20%KNO3 > 15%NaCl > 15%KCl > 15%KNO3 > 10%NaCl 10%KCl > >10%KNO3 > морська вода > прісна вода;
6. На підставі проведених досліджень розроблено основні технічні вимоги до проектування СГВВРОС, а саме: середній діаметр краплин у межах від 100 до 150 мкм, інтенсивність подавання ВВР не нижче 0,032 кг/(м3с), тривалість подавання не менше 120 с. Як ВВР можна застосовувати прісну, морську воду та розчини в них хлоридів калію, натрію або нітрату калію з концентрацією не вище 20%. Для розпилення ВВР встановлено можливість застосовування блоків форсунок відцентрового типу з діаметром сопел у межах від 0,4 до 0,7 мм, запропоновано графоаналітичний метод розрахунків блоків таких форсунок. Розроблено метод розрахунку систем пожежогасіння для закритих суднових приміщень із застосуванням технології тонкого розпилення ВВР, який апробовано і впроваджено шляхом створення тренажера для відпрацювання дій екіпажів суден і курсантів при боротьбі з пожежею на таких об'єктах.
Основні положення дисертації опубліковано в роботах:
1. Емец А.А. Моделирование процессов массотеплообмена при подаче распылённой воды в помещение с очагом пожара // Вестник СевГТУ. Сер. Механика, энергетика, экология. – Севастополь, 1999. – Вып. 16. – С. 86 – 89.
2. Емец А.А. Критерий “Человек – техника” при оценке систем пожаротушения // Вестник СевГТУ. Сер. Философия и политология. – Севастополь, 1999. – Вып. 17. – С. 67 – 69.
3. Емец А.А., Емец Е.А. Использование тонкораспылённой воды для тушения пожаров на АЭС // Сб. научных трудов СИЯЭИП. – Севастополь, 1999. – Вып. 2. – С. 26 – 29.
4. Емец А.А. Методика расчёта расхода пароводяной смеси при тонком распылении воды в помещении // Вестник СевГТУ. Сер. Механика, энергетика, экология. – Севастополь, 2000. – Вып. 23. – С. 203 – 207.
5. Головин В.И., Емец А.А. Математическая модель тушения пожара в отсеках кораблей при тонком объёмном распылении воды // Науковий вісник УкрНДІПБ: Науковий журнал. – Київ, 2001. – № 3. – С. 49 – 53.
6. Головин В.И., Емец А.А. Методические рекомендации по расчёту системы тушения пожаров тонкораспылённой водой для корабельных помещений // Науковий вісник УкрНДІПБ: Науковий журнал. – Київ, 2002. – № 2(6). – С. 150 – 153.
7. Емец А.А., Антонов А.В. Исследования ингибирующей способности морской воды // Науковий вісник УкрНДІПБ: Науковий журнал. – Київ, 2002. – № 2(6). – С. 154 – 156.
8. Патент України 31 560А, МКІ А 62С 2/00 Спосіб об’ємного гасіння пожежі / О.А. Ємець, А.О Ємець.- Надрук. в Бюл., 15.12.2000. - №7 – II.
АНОТАЦІЯ
Ємець А. О. Аналіз і обґрунтування умов гасіння пожеж в закритих приміщеннях суден водними вогнегасними речовинами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – пожежна безпека. Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, Київ, 2003.
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукового завдання обґрунтування умов ефективного гасіння пожеж у закритих приміщеннях суден за рахунок застосування в системах їх протипожежного захисту технології тонкого розпилення водних вогнегасних речовин.
Із застосуванням розроблених математичних моделей та запропонованих комп’ютерних програм їх чисельного вирішення розраховано та експериментально підтверджено умови ефективного розпилювання водних вогнегасних речовин відцентровими форсунками, а також необхідні умови для ефективного гасіння пожеж класу В у закритих приміщеннях суден подаванням тонкорозпилених ВВР в їх об'єми.
Встановлено підвищену інгібірувальну і вогнегасну ефективність тонкорозпиленої морської води, а також розчинів хлоридів натрію і калію та нітрату калію на ії основі у порівнянні з прісною водою.
Обґрунтовано основні технічні вимоги та метод розрахунку систем пожежогасіння закритих суднових приміщень водними вогнегасними речовинами об’ємним способом.
Ключові слова: закриті приміщення, тонкорозпилені водні вогнегасні речовини, средньооб'ємна температура, газоповітряне середовище, тепломасообмін, дисперсність краплин, гасіння пожеж об’ємним способом, протипожежний захист, математичні моделі, критична інтенсивність подавання.
АННОТАЦИЯ
Емец А.А. Анализ и обоснование условий тушения пожаров в закрытых помещениях судов водными огнетушащими веществами. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – пожарная безопасность. Украинский научно-исследовательский институт пожарной безопасности МЧС Украины, Киев, 2003.
В диссертационной работе приведены теоретическое обобщение и новое решение научной задачи обоснования условий эффективного тушения пожаров в ограниченных ограждающими конструкциями объемах судовых помещений за счет применения в системах их противопожарной защиты технологии тонкого распыления экологически безопасных водных огнетушащих веществ.
Проведенный по литературным данным анализ статистики аварий, а также существующих систем противопожарной защиты судов показал недостаточную эффективность работы установок газового, водяного и водопенного пожаротушения, предусмотренных их проектной документацией. Отсутствие технических требований и методов расчета хорошо зарекомендовавших себя в некоторых отраслях
