МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ
ШКОРУП ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ
УДК 614.842
ВИЗНАЧЕННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ КОМБІНОВАНОЇ ПОДАЧІ ВОГНЕГАСНИХ РЕЧОВИН
ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПОЖЕЖОГАСІННЯ
21.06.02 - Пожежна безпека
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Макіївка – 2003
Дисертація є рукописом.
Роботу виконано в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України.
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Булгаков Юрій Федорович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри охорони праці та аерології
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Пашковський Петро Семенович, Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи, м. Донецьк, перший заступник директора;
кандидат технічних наук Ковалишин Василь Васильович, Львівський інститут пожежної безпеки МНС України, проректор з наукової роботи.
Провідна організація – Севастопольський військово-морський інститут ім. П.С. Нахімова Міністерства оборони України, кафедра живучості кораблів, водолазних і суднопіднімальних робіт, м. Севастополь
Захист відбудеться "5" серпня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .834.01 Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60
Автореферат розіслано "4" липня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д .834.01 В.Р. Алаб'єв
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Збільшення концентрації матеріальних цінностей на одиницю площі, інтенсифікація технологічних процесів із залученням і розширенням застосування пожежо-небез-печних матеріалів, збільшення великих міст - усе це призводить до зростання ймовірності виникнен-ня пожеж, збитків від них, збільшення чисельності людських жертв під час пожеж. Так за 2002 рік виникло 59686 пожеж і загорянь, загинуло 3616 людей і травмовано 1762 людини. Матеріальні збитки від пожеж: прямі збитки склали 88 млн.751 тисяча гривень; побічні - 313 млн. 555 тисяч гривень. Більшість пожеж 47153 ліквідовано із застосуванням води, 858 із застосуванням піни і лише 400 пожеж із застосуванням інших вогнегасних речовин, у тому числі комбінацією вогнегасних речовин.
У той же час пожежі стають більш складними за рахунок збільшення кількості й енергетич-ної якості горючих матеріалів, утворюються комбінації горючих речовин, що призводить до знижен-ня ефективності води, як вогнегасної речовини, тобто збільшується неадекватність застосу-вання вогнегасної речовини, особливо її вогнегасної здатності, складності виникаючих пожеж.
Як один зі шляхів підвищення ефективності гасіння пожеж прогнозується застосування комбінованих вогнегасних засобів і створення засобів комбінованої подачі різних вогне-гас-них речовин. У той же час, як в Україні, так і за кордоном ще не розроблені наукові основи створення засобів комбінованої подачі вогнегасних речовин і визначення раціональних пара-мет-рів комбінованої подачі вогнегасних речовин для підвищення ефективності гасіння пожеж різних класів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, виконані в даній дисертаційній роботі, проводилися в рамках виконання "Державної програми забезпечення пожеж-ної безпеки на 1995-2000 роки", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 3 квітня 1995 р. №238, "Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 1 липня 2002 р. №870, а також відповід-но до планів науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України на 1995-2003 роки, зокрема за темами "Провести дослідження і розробити експериментальний зразок лафетного ствола комбінованої подачі вогнегасного порошку і піни", "Надати науково-методичну допомогу по розробці технічної документації і виготов-лення дослідного зразка установки комбінованого пожежегасіння з ручним стволом комбінованого гасіння" (№019800001883).
Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є розкриття особливостей бінарної дії комбінацій вогнегасних речовин і визначення раціональних параметрів їхньої подачі для підвищення ефективності гасіння пожеж.
Для виконання поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- провести аналіз стану питання комбінування вогнегасних речовин і способів їхньої подачі;
- виконати теоретичні дослідження процесів гасіння вогнищ пожеж комбінаціями вогнегасних речовин;
- розробити лабораторні експериментальні установки і методики, провести дослідження ефективності гасіння модельних вогнищ пожеж різних класів різними комбінаціями вогнегасних речовин;
- провести полігонні випробування гасіння модельних вогнищ різних класів пожеж різними комбінаціями вогнегасних речовин;
- провести експериментальні дослідження і розробити нові технічні засоби для реалізації способів комбінованої подачі вогнегасних речовин;
- розробити рекомендації з тактичних прийомів комбінованого пожежогасіння.
Об'єкт дослідження – способи і засоби гасіння різних класів пожеж вогнегасними речовинами.
Предмет дослідження – процеси гасіння різних класів пожеж комбінаціями вогнегасних речовин.
Методи дослідження. Аналітичні і теоретичні методи дослідження вогнегасної ефективності комбінацій вогнегасних речовин. Фізико-хімічні методи дослідження процесів гасіння модельних вогнищ різних класів пожеж за допомогою комбінованих вогнегасних речовин. Гідродинамічне моделювання при розробці пожежного ствола комбінованої подачі вогнегасних речовин. Лабораторні і полігонні методи дослідження гасіння модельних вогнищ різних класів пожеж за допомогою комбінованого способу подачі вогнегасних речовин. Статистичні методи обробки результатів експериментальних досліджень.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що вперше теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено неадитивні закономірності прояву вогнегасної дії бінарних комбінацій вогнегасних речовин при їхній одночасній, одночасно-послідовній і послідовно-одночасній подачі, а також у створенні пристрою комбінованої подачі вогнегасних речовин.
Наукові положення, що виносяться на захист.
1. Запропоновано новий підхід до побудови фізичної моделі гасіння вогнищ пожеж комбінаціями кількох вогнегасних речовин, заснований на поняттях середньої ефективності гасіння кожною з цих речовин окремо, а також показника ступеня неадитивності взаємодії вогнегасних речовин із полум'ям. Обґрунтовано метод визначення ефективності гасіння на підставі експериментальних даних усередненого значення показника ступеня неадитивності і подано його аналітичний вираз. Запропоновано математичні моделі для визначення залежностей часу гасіння вогнищ пожеж бінарними комбінаціями вогнегасних речовин для випадків їхньої одночасної, одночасно-послідовної і послідовно-одночасної подачі. Введено поняття і запропоновано метод визначення раціональних параметрів подачі вогнегасних речовин при гасінні вогнищ різних класів пожеж. Отримано аналітичний вираз наявності ефекту синергізму при комбінованому застосуванні двох вогнегасних речовин.
2. Експериментально встановлені раціональні параметри комбінованого впливу на вогнище пожежі за допомогою різних вогнегасних речовин і складів при їхній роздільній і одночасній подачі; при цьому отримані чисельні значення коефіцієнтів неадитивності взаємодії речовин, що характеризують ефективність гасіння модельних вогнищ різних класів пожеж.
3. Розкрито умови прояву ефектів синергізму й антагонізму властивостей при одночасній і послідовній подачі різних речовин і складів на модельні вогнища горіння; при цьому встановлені аналітичні залежності, що описують ймовірність настання синергічного ефекту при гасінні пожежі двома вогнегасними складами, які подаються одночасно або послідовно і відрізняються врахуванням інтенсивності подачі речовин, часу гасіння й усередненого показника неадитивності.
4. Вперше отримано аналітичні залежності часу гасіння модельних вогнищ пожеж класів А та В для різних комбінацій вогнегасних речовин і складів (порошок П_АП, повітряно-механічна піна, розпилена вода, у тому числі з добавками ПАР і солі NaCl); при цьому визначено оптимальні бінарні комбінації досліджуваних складів, а також розрахункові інтенсивності їх подачі на вогнище горіння.
Гідродинамічне моделювання процесів витікання повітряно-порошкової суміші і води дозволило розробити новий пожежний ствол, з якого подача вогнегасних речовин здійснюється за принципом коаксіальності, порошковий струмінь виходить зі ствола закільцьований водяним струменем.
5. Уперше сформульовано концепцію комбінованого пожежегасіння, що полягає в посиленні або ослабленні результуючого впливу вогнегасних речовин і складів за рахунок комплексного використання їхніх фізико-хімічних характеристик і природи механізму взаємного впливу, що обумовлює синергізм чи антагонізм властивостей у залежності від параметрів і послідовності їх подачі на вогнище пожежі.
Практична цінність отриманих результатів. Створені математичні моделі для визначення залежності часу гасіння вогнищ пожеж бінарними комбінаціями вогнегасних речовин для випадків їх одночасної, одночасно-послідовної і послідовно-одночасної подачі дозволяють науково обґрунтовано визначати раціональні параметри подачі вогнегасних речовин при гасінні вогнищ різних класів пожеж. Їхнє використання відповідно до розроблених технічних засобів комбінованої подачі вогнегасних речовин підвищує якість прийнятих рішень у складних умовах гасіння пожеж, сприяє скороченню часу гасіння пожеж і зниженню матеріальних збитків, забезпечує підвищення рівня протипожежного захисту об'єктів.
За матеріалами дисертаційної роботи отримано 5 авторських свідоцтв на винаходи і 5 патентів України на винаходи. Мобільна причіпна установка комбінованого пожежогасіння УКП-250/100 прийнята до серійного виробництва Прилуцьким заводом "Пожмашина".
Реалізацію висновків і результатів роботи здійснено шляхом використання підрозділами Державної пожежної охорони України нових технічних засобів комбінованої подачі вогнегасних речовин і тактичних прийомів комбінування подачі вогнегасних речовин зі штатної пожежної техніки при гасінні пожеж.
Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації і відображених у наукових працях, полягає в розробці теоретичної моделі гасіння вогнищ пожеж комбінаціями кількох вогнегасних речовин, методу визначення раціональних параметрів подачі вогнегасних речовин при гасінні вогнищ різних класів пожеж, у створенні лабораторних і полігонних стендів визначення ефективності вогне-гас-них речовин при їх комбінованій подачі, експериментальному визначенні параметрів подачі вогнегасних речовин при їх комбінованій подачі, у створенні ручного і лафетного стволів комбінованої подачі вогнегас-них речовин і установок комбінованої подачі вогнегасних речовин, у розробці технічної документації.
Апробація роботи. Основні результати окремих розділів і роботи в цілому викладені на: Всесоюзній науково-практичній конференції "Проблемы производства и применения огнетушащих порошков" (м.м. Кінгісепп - Ленінград, 1991); Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми пожежної безпеки" (м. Харків, 1993); Міжнародній науково-практичній конфе-ренції "Пожежна безпека " (м.Київ, 1998); Міжнародній науково-практичній кон-ферен-ції "Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий" (м. Донецьк, 2002); засіданнях науково-технічної ради Українського НДІ пожежної безпеки МВС України.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць (11 статей і 6 тез доповідей конференцій), з яких 13 опубліковані у виданнях, включених у перелік ВАК України, отримано 5 авторських свідоцтв і 5 патентів України.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і загальних висновків, містить 211 сторінок друкованого тексту, 37 таблиць, 41 ілюстрацію і 3 додатки, список використаних джерел з 118 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі наведено результати аналізу літературних джерел, які свідчать про наявність публікацій про комбінації вогнегасних речовин. Одна із сучасних високоефективних вогнегасних речовин - вогнегасний порошок являє собою суміш (комбінацію) кількох твердих речовин з різними факторами впливу на процеси горіння. Ці суміші можуть мати неадитивні властивості (синергізм чи антагонізм) при придушенні полум'я. Є розрізнені публікації щодо стаціонарних установок пожежогасіння, у яких застосовуються комбінації вогнегасних речовин. Так, для протипожежного захисту газоперекачувальних агрегатів використовуються комбіновані установки пожежогасіння, у яких реалізуються послідовна подача вогнегасного порошку і газу, вогнегасного порошку і піни.
Систематичних експериментальних досліджень по гасінню різних класів пожеж з використанням комбінованої (одночасної) подачі вогнегасних речовин практично немає. Є тільки розрізнені публікації щодо таких досліджень, які проведені без належної методологічної основи, на різнотипних установках пожежогасіння, без апробації в полігонних умовах. У цих роботах відсутній важливий аспект досліджень - знаходження оптимального режиму і послідовності подачі вогнегасних складів у вогнище пожежі.
З цих питань практично відсутні теоретичні публікації. А без належних наукових основ не розробляються технічні засоби подачі вогнегасних речовин, особливо це стосується пересувних установок пожежогасіння. Тому не дивно, що в даний час в Україні більшість пожеж гаситься водою.
У другому розділі проведені дослідження математичних моделей для опису процесу гасіння вогнища пожежі різними вогнегасними речовинами при індивідуальному і комбінованому застосуванні.
При побудові моделей виходили з напівемпіричних залежностей часу гасіння модельних вогнищ пожежі певною вогнегасною речовиною при її індивідуальному застосуванні від інтенсивності її подачі.
Найбільш простий вид таких залежностей:
(1)
де ф - час гасіння вогнища пожежі; I - інтенсивність подачі вогнегасної речовини; А і В - константи, що знаходяться експериментально.
За фізичним змістом постійна В являє собою критичну інтенсивність подачі вогнегасної речовини.
Шляхом наближеного рішення системи нелінійних диференційних рівнянь отримані співвідношення виду:
(2)
де ф0, k - постійні величини.
Розглядаючи процес гасіння як певну роботу, введемо до розгляду поняття середньої ефективності процесу гасіння вогнища пожежі певною вогнегасною речовиною pi. Під цим поняттям будемо мати на увазі величину, зворотну часу гасіння, тобто
pi (Ii) = фi-1(Ii). (3)
Ґрунтуючись на цьому понятті, побудуємо моделі гасіння вогнища пожежі при різних видах комбінованої подачі вогнегасних речовин.
При адитивному законі їхньої взаємодії з полум'ям сумарна середня ефективність процесу гасіння pУ може бути виражена співвідношенням:
(4)
де n - кількість застосовуваних вогнегасних речовин; pi - індивідуальні середні ефективності процесу гасіння кожною з цих речовин; Ii інтенсивність подачі i-ої вогнегасної речовини.
При неадитивному законі (прояві відповідно синергізму та антагонізму) будемо мати вираз:
(5)
(6)
Для того, щоб аналітично визначити залежність часу гасіння від інтенсивності подачі при одночасному застосуванні кількох вогнегасних речовин, що взаємодіють з полум'ям і між собою нелінійним чином, введемо поняття показника ступеня неадитивності k, а саме будемо вважати, що сумарна середня ефективність процесу гасіння вогнища пожежі
(7)
Відповідно час гасіння вогнища пожежі визначається зі співвідношення:
. (8)
Для практичних цілей досить знайти усереднене значення параметра (наприклад, в околі оптимальних інтенсивностей подачі вогнегасних речовин):
. (9)
Тоді час гасіння вогнища пожежі комбінацією кількох вогнегасних речовин буде мати вигляд:
. (10)
У практиці комбінованого пожежегасіння переважно застосовують комбінацію з двох вогнегасних речовин. Крім одночасної подачі речовин ще можуть бути одночасно-послідовна і послідовно-одночасна. При одночасно-послідовній подачі на початковій стадії гасіння до моменту припинення полум'яного горіння застосовують подачу одночасно двох вогнегасних речовин, а для дотушування застосовують одну з двох речовин. При послідовно-одночасній подачі на початковій стадії гасіння застосовують одну з двох речовин, а, починаючи з певного моменту часу, здійснюють подачу обох вогнегасних речовин.
Для випадку подачі двох вогнегасних речовин виразам (7) ) надамо більш простого вигляду, позначивши умовно: pi і pj - середні ефективності процесу гасіння цими речовинами; фi(Ii), фj(Ij) - залежності часу гасіння вогнегасними речовинами "i" і "j"; kij _ показник ступеня неадитивності взаємодії комбінації цих речовин з полум'ям.
Тоді модель гасіння комбінаціями вогнегасних речовин при одночасній подачі буде мати вигляд:
(11)
Модель гасіння при одночасно-послідовній подачі буде складатися з наступних виразів:
- умова гасіння пожежі
(12)
- час дотушування пожежі
(13)
- загальний час гасіння вогнища пожежі
(14)
Модель гасіння при послідовно-одночасній подачі:
- умова гасіння
(15)
- загальний час гасіння вогнища пожежі
(16)
Залежності фi фi (Ii) виду (1) і (2) описуються гіперболічними кривими (рис.1) і точок екстремуму не мають.
Рис. 1. | Вид залежностей часу гасіння вогнища від інтенсивності подачі вогнегасних речовин:
Ii,кр, Ij,кр - критичні значення інтенсивностей подачі вогнегасних речовин;
Ri (Ii*, фi*), Rj (Ij*, фj*) - точки раціональних режимів параметрів гасіння вогнища пожежі
Розглянемо на графіках функцій фi фi (Ii) для кожної з вогнегасних речовин точки Ri і Rj, у яких виконується умова:
(17)
(при однакових масштабах по осях 0I і 0ф).
Очевидно, що в області I є (Iкр; I*) збільшення інтенсивності подачі вогнегасної речовини призводить до більш значного зменшення часу гасіння (¦dI¦<¦dф¦), а при II* з ростом інтенсивності подачі час гасіння зменшується повільніше (¦dI¦>¦dф¦). Будемо розглядати надалі Ii*, Ij* як раціональні (у певному смислі оптимальні) параметри подачі вогнегасних речовин "i" і "j" при їхньому комбінованому застосуванні.
При одночасній подачі двох вогнегасних речовин наявність даного ефекту синергізму можна аналітично записати у вигляді нерівності:
(18)
або
. (19)
З урахуванням співвідношень (11) умова наявності ефекту синергізму при гасінні вогнищ пожежі двома вогнегасними складами, які подаються одночасно, приймає наступний вид:
,
або
(20)
В області фi (Ii) фj (Ij) > 2 c будемо мати вираз
(21)
З цього виразу можна зробити висновок про те, що нерівність (20) виконується, якщо . Тобто, ефект синергізму при одночасній подачі у вогнище пожежі двох вогнегасних речовин і виконання умови (21) має місце, якщо ( не може бути негативною величиною за визначенням), причому даний ефект підсилюється зі зменшенням .
У третьому розділі викладено результати досліджень по визначенню залежностей часу гасіння модельних вогнищ пожеж класу А та В при індивідуальній (роздільній) і комбінованій подачі вогнегасних речовин. Насамперед було розроблено експериментальний стенд (рис. ), обрано і розроблено методи досліджень.
Для проведення експериментальних досліджень були використані наступні вогнегасні речовини: вода; вода зі змочувачем (5 % розчин піноутворювача ПО-6К); водяний розчин солі NaCl (15; повітряно-механічна піна (ПМП) середньої кратності; вогнегасний порошок П-2АП.
У проведених експериментальних дослідженнях визначені основні параметри подачі вогнегасних речовин при гасінні модельних вогнищ пожеж класів А і В, а також час їхнього гасіння.
Рис. 2. | Лабораторний стенд для визначення параметрів подачі вогнегасних речовин при гасінні модельних вогнищ пожежі класів А і В:
1 балон з повітрям; 2 - редуктор; 3 колектор; 4 _ вентилі; 5 - манометри; 6 - електро-пнев-мо-кла-пани; 7 - ємність для вогнегасного порош-ку; 8 - розпилювач порошку; 9 - ємність для води; 10 розпилювач води; 11 _ ємність для розчину піноутворювача; 12 - піногенератор; 13 - тензометрична платформа для зважування; 14 - КСТ; 15 - пульт керування; 16 - блок живлення; 17 _ модельне вогнище; 18 _ термопара; 19 - КСП-4
При комп'ютерній обробці результатів експериментів були використані аналітичні описи кривих гасіння виду (1) і (2), однак найбільш адекватною виявилась залежність виду:
(22)
у якій для визначення коефіцієнтів a, b, c використовували програму Mathcad _ , яка дозволяє, зокрема, автоматизувати пошук невідомих коефіцієнтів методом найменших квадратів. Відносна похибка при такому описі складає 3 4 %.
У результаті проведених досліджень з гасіння модельних вогнищ пожеж класів А і В при роздільній подачі вогнегасних речовин одержали наступні ряди ефективності.
Для вогнищ класу А: вогнегасний порошок > розпилений 15% розчин NaCl > розпилений 5% розчин ПО-6К > розпилена вода > ПМП.
Для вогнищ класу В: вогнегасний порошок > розпилений 5% розчин ПО-6К > ПМП > розпилений 15% розчин NaCl > розпилена вода.
Експериментальні дослідження залежності часу гасіння модельних вогнищ пожеж від інтенсивності подачі вогнегасних речовин при їхньому комбінованому застосуванні проводили на тому ж лабораторному стенді за тими ж методиками. При цьому був застосований один з методів планування експерименту - метод Бокса-Уілсона.
У якості незалежних змінних обрано інтенсивності подачі комбінуємих вогнегасних речовин (Ii,Ij), а вихідним параметром - час гасіння (фij). Для одержання найбільш повної інформації про досліджувану залежність здійснювали факторний експеримент типу 22.
Результати обробки отриманих даних виражені у вигляді відповідних рівнянь регресії:
(18)
Для визначеності в позначеннях відповідних величин нижній індекс "1" присвоєний вогнегасному порошку, "2" - повітряно-механічній піні, "3" - розпиленій воді, "4" розпиленому розчину солі NaCl, "5" - розпиленому розчину піноутворювача. Верхній індекс "1" стосується одночасної подачі, "2" - одночасно-послідовної.
Наприклад, для одночасної подачі вогнегасного порошку і ПМП рівняння регресії має вигляд:
(19)
Проведеними експериментами було встановлено, що найкращою комбінацією подачі вогнегасних речовин є одночасна.
Використовуючи результати теоретичного аналізу (11) визначили усереднені значення показників ступеня неадитивності взаємодії досліджених бінарних комбінацій вогнегасних речовин з полум'ям при гасінні модельних вогнищ пожеж класів А і В. Результати розрахунків наведено у табл. 1.
Таблиця 1 -
Розрахункові значення усереднених показників ступеня неадитивності взаємодії вогнегасних речовин при гасінні модельних вогнищ пожеж класів А і В (одночасна подача)
Вид комбінації вогнегасних речовин | Інтенсивність подачі,
кг.с-1.м-2 | Час гасіння
ij , з | Коефіцієнт неадитивності ij
1.103 | (2 - 5).103
Модельне вогнище пожежі класу А
Вогнегасний порошок П_АП
і повітряно-механічна піна | 12,0 | 13,19 | 16,3 | 1,11
Вогнегасний порошок П_АП
і розпилена вода | 10,8 | 12,3 | 12,7 | 0,93
Вогнегасний порошок П_АП
і розпилений 15% розчин солі NaCl | 11,465 | 11,28 | 9,45 | 0,91
Вогнегасний порошок П_АП
і розпилений 5% розчин піноутворювача ПО-6К | 11,33 | 14,38 | 11,6 | 0,98
Модельне вогнище пожежі класу В
Вогнегасний порошок П_АП
і повітряно-механічна піна | 50,375 | 82,7 | 2,4 | 0,36
Вогнегасний порошок П_АП
і розпилена вода | 46,125 | 74,1 | 3,7 | 0,46
Вогнегасний порошок П_АП
і розпилений 5% розчин піноутворювача ПО-6К | 47,05 | 76,3 | 2,1 | 0,29
Аналізуючи дані табл. , можна зробити висновок про те, що, принаймні, у досліджуваному діапазоні інтенсивностей подачі всі досліджені бінарні комбінації вогнегасних речовин (за винятком комбінації "вогнегасний порошок - повітряно-механічна піна") мають ефект синергізму, причому цей ефект значно більше виявляється при гасінні модельного вогнища класу В.
За ступенем неадитивності взаємодії між собою і полум'ям бінарні комбінації вогнегасних речовин можуть бути проранжовані у такий спосіб.
За ефективністю гасіння модельного вогнища класу А:
1) вогнегасний порошок і розпилений розчин NaCl ( 14 = 0,91);
2) вогнегасний порошок і розпилена вода ( 13 = 0,93);
3) вогнегасний порошок і розпилений 5% розчин піноутворювача ( 15 = 0,98);
4) вогнегасний порошок і повітряно-механічна піна ( 12 = 1,11).
За ефективністю гасіння модельного вогнища класу В:
1) вогнегасний порошок і розпилений 5% розчин піноутворювача ( 15 = 0,29);
2) вогнегасний порошок і повітряно-механічна піна ( 12 = 0,36).
3) вогнегасний порошок і розпилена вода ( 13 = 0,46).
У четвертому розділі наведено результати полігонних випробувань по гасінню модельних пожеж, що послужили основою для розробки причіпної установки комбінованого гасіння, викладено технічні пропозиції по створенню інших типів установок, а також пропозиції по тактичних прийомах комбінованої подачі вогнегасних речовин при гасінні пожеж.
У якості вогнегасних речовин при проведенні полігонних досліджень застосовували вогнегасний порошок П-2АП, ПМП і розпилену воду. Для моделювання пожеж використовували палаючі автомобільні покришки, відходи деревини і фанери, ганчір'я, а також інші горючі матеріали.
Досліди здійснювали на спеціально змонтованій полігонній установці, до складу якої входили, крім організованого пожежного навантаження, установки для подачі вогнегасних речовин. Для подачі вогнегасного порошку використовувався вогнегасник ОПА-100, а для подачі ПМП і розпиленої води - установка УВП-400.
Експериментальна полігонна установка дозволяє подавати вогнегасний порошок, ПМП і розпилену воду як індивідуально, так і комбіновано в сполученнях: порошок і вода; порошок і піна.
При одночасній подачі бінарних комбінацій вогнегасних речовин з мінімальними інтенсивностями (які забезпечують гасіння вогнищ індивідуально), час гасіння істотно зменшується. Так, при гасінні макетного вогнища, що імітує пожежу класу А, комбінацією вогнегасного порошку і ПМП час гасіння скорочується в 5 разів, а при одночасній подачі порошку і розпиленої води - у 10 разів. При одночасній подачі цих же сполучень вогнегасних речовин для гасіння макетного вогнища, що імітує пожежу класу В, час гасіння скорочується в 8 _ і 10 рази відповідно.
Експериментальні результати були піддані математичній обробці за формулою (11). Віднос-не відхилення розрахункового часу гасіння від визначеного експериментально склало близько 6%.
У наступній серії дослідів ставили задачу перевірки ефективності гасіння пожеж, що моделюють реальні, комбінуванням вогнегасних речовин. Тому були проведені укрупнені натурні випробування по гасінню макетів фрагмента цеху і господарської будівлі.
Макет фрагмента цеху являв собою випробувальний бокс із розмірами в плані 6 х ,4 м і висотою 4,5 м, у якому розміщувалося технологічне устаткування і горючі матеріали. Пожежне навантаження фрагмента цеху складалося з 7,3 кг.м-2 трансформаторні олії, 0,83 кг.м-2 ганчір'я і 2,1 кг.м-2 бензину А-76.
Потім у цьому ж боксі виготовили макет господарської будівлі. Пожежне навантаження в макеті склали: відходи фанери - 13 кг.м-2; ганчір'я - 3,42 кг.м-2; папір - 0,6 кг.м-2; відходи деревини- 3,3 кг.м-2; автомобільні шини - 4,5 кг.м-2.
При проведенні дослідів по гасінню макетів фрагмента цеху і господарської будівлі подача вогнегасних речовин (вогнегасного порошку і розпиленої води) здійснювалася одночасно-послідовним способом. На початковій стадії гасіння подавали спільно порошок і воду, а після придушення полум'яного горіння тліючі матеріали дотушували водою.
Для гасіння вогнища усередині фрагмента цеху, одночасну подачу води і порошку здійснювали протягом 9 с, а загальний час гасіння склало 35 с. При цьому витрачено 4,59 кг порошку і 5,95 кг води при витратних характеристиках 0,51 кг.с-1 та 0,17 кг.с-1 відповідно.
Значно складніше відбувалося гасіння макета господарської будівлі через наявність горючих речовин класу А і В. Спостерігалося повторне займання речовин класу В. Сумарний час гасіння макета господарської будівлі склав 137 с. При цьому було витрачено 36,8 кг вогнегасного порошку і 455 кг води. Витрата порошку склала 1,6 кг.с-1, а води - 3,5 кг.с-1.
Таким чином, полігонними дослідженнями гасіння макетних вогнищ, що імітують пожежі класів А і В, а також макетів фрагмента цеху і господарської будівлі підтверджена ефективність комбінованого застосування вогнегасних речовин для ліквідації цих пожеж. Крім цього вони вказали на необхідність і доцільність розробки спеціальних технічних засобів для реалізації комбінованої подачі вогнегасних засобів у вогнища пожежі.
Виконавчим елементом мобільних установок пожежегасіння є ствол. При розробці ручного ствола комбінованої подачі вогнегасного порошку і води (водяних розчинів) був застосований метод моделювання, що базується на теорії гідродинамічної подібності. Конструкція ствола (рис. ) принципово відрізняється від існуючих стволів, подача вогнегасних речовин зі ствола здійснюється за принципом коаксіальності. Порошковий струмінь виходить зі ствола закільцьований водяним струменем. Це дозволяє збільшити компактність і дальність подачі, а також ступінь однорідності комбінованого порошково-рідинного струменя.
Рис. 3. | Комбінований пожежний ствол: 1 порошковий ствол; 2 камера вирівнювання тиску; 3 сполучний патрубок; 4 направляюча трубка; 5 регулювальний насадок; 6 сідло; 7 контргайки; 8 клапан; 9 порошковий насадок; 10 пусковий механізм
Подача порошкового струменя в оточенні рідинного запобігає розпиленню порошку зовнішніми повітряними потоками, а також збільшує дальність викидання порошку за рахунок того, що краплі води, підхоплюючи частки порошку, переносять їх на більш значну відстань.
Полігонні випробування показали, що при однакових тисках у мережі при одночасній подачі двох вогнегасних речовин порошковий струмінь може подаватися, приблизно, на 30% далі, ніж індивідуально. Так при тиску в мережі 0,6 МПа була досягнута дальність подачі комбінованого складу до 20 м.
Використовуючи розроблений ствол, була створена причіпна установка комбінованого пожежегасіння УКП-250/100. Установка змонтована на базі порошкового причіпного вогнегасника ОПП_, заповненого водою або водяним розчином і корпуса вогнегасника ОПА_, заповненого вогнегасним порошком. Технічні характеристики цієї установки наведено у табл. 2. Всебічні полігонні випробування УКП-250/100 показали, що вона є дуже ефективним засобом боротьби з пожежами. Дана установка прийнята до серійного виробництва Прилуцьким заводом "Пожмашина".
Таблиця 2 -
Технічні характеристики експериментального зразка причіпної установки
комбінованого пожежегасіння УКП-250/100
Назва характеристик | Значення
Місткість корпуса, л: | для вогнегасного порошку | 100
для рідини | 250
Маса вогнегасної речовини, кг: | вогнегасний порошок | 70
рідина | 200
Тривалість безупинної подачі, с: | вогнегасного порошку | 100
рідини | 100
Максимальний робочий тиск в ємностях, МПа: | для вогнегасного порошку | 0,8
для рідини | 0,8
Довжина струменя, не менше, м: | водяного | 17
порошкового | 12
комбінованого | 15
Витрата вогнегасних речовин при тиску 0,6 МПа, кг.с-1: | по воді | до 2,0
по вогнегасному порошку | до 1,0
Кількість стволів, шт. | 1
Час приведення в дію, с | 20
Швидкість транспортування, км/година | не більш 70
Повна маса установки, кг | 1000
Габаритні розміри установки, мм: | висота | 1530
ширина | 1650
довжина | 1875
Метод моделювання, заснований на теорії гідравлічної подібності, був також застосований при створенні експериментального лафетного ствола, що випробуваний на автомобілі комбінова-ного пожежегасіння АП-5 (532/3)196 (порошок і вода). Ці випробування показали, що лафетний ствол дозволяє підвищити ефективність використання вогнегасного порошку і води.
Комбіновану подачу вогнегасних речовин можна здійснювати як спеціально створеною установкою УКП-250/100, так і за допомогою штатних технічних засобів для кожного з видів вогнегасних речовин, що працюють спільно.
Проведені розрахунки ефективності причіпної комбінованої установки УКП_/100 показали, що інтегральний показник ефективності комбінованої установки УКП_/100 на 53% перевищує інтегральний показник ефективності порошкової установки УППУ-250П.
У дисертаційній роботі поряд із загальними принципами тактичних прийомів комбінованого гасіння пожеж, описані особливості тактики гасіння при різних способах подачі бінарних комбінацій вогнегасного порошку з ПМП і розпиленою водою для гасіння твердих горючих речовин, горючих і легкозаймистих рідин, а також їхніх сполучень.
ВИСНОВКИ
У дисертації, що є закінченою науково-дослідною роботою, подане рішення актуальної науково-технічної задачі визначення раціональних параметрів комбінованої подачі вогнегасних речовин, що полягає у встановленні ступеня неадитивності взаємодії вогнегасних речовин із полум'ям, розкритті ефектів синергізму й антагонізму властивостей при одночасній і послідовній подачі різних речовин і складів на модельні вогнища пожеж, оптимізації бінарних комбінацій вогнегасних речовин і створенні технічних засобів їхньої подачі, що дозволило підвищити ефективність пожежогасіння.
Основні наукові і практичні результати:
1. Запропоновано новий підхід до побудови фізичної моделі гасіння вогнищ пожеж комбінаціями кількох вогнегасних речовин, заснований на поняттях середньої ефективності гасіння кожної з цих речовин окремо, а також показника ступеня неадитивності взаємодії вогнегасних речовин із полум'ям. Обґрунтовано метод визначення ефективності гасіння на підставі експериментальних даних усередненого значення показника ступеня неадитивності і наведено його аналітичний вираз. Побудовано математичні моделі для визначення залежностей часу гасіння вогнищ пожеж бінарними комбінаціями вогнегасних речовин для випадків їхньої одночасної, одночасно-послідовної і послі-довно--одно-часної подачі. Введено поняття і запропоно-вано метод визначення раціональних параметрів подачі вогнегасних речовин при гасінні вогнищ різних класів пожеж. Отримано аналітичний вираз наявності ефекту синергізму при комбіновано-му застосуванні двох вогнегасних речовин.
2. Експериментально встановлені раціональні параметри комбінованого впливу на вогнище пожежі за допомогою різних вогнегасних речовин і складів при їхній роздільній і одночасній подачі; при цьому отримані чисельні значення коефіцієнтів неадитивності взаємодії речовин, що характеризують ефективність гасіння модельних вогнищ різних класів пожеж.
3. Розкрито умови прояву ефектів синергізму й антагонізму властивостей при одночасній і послідовній подачі різних речовин і складів на модельні вогнища горіння; при цьому встановлені аналітичні залежності, що описують імовірність настання синергічного ефекту при гасінні пожежі двома вогнегасними складами, що подаються одночасно або послідовно і відрізняються врахуванням інтенсивності подачі речовин, часу гасіння й усередненого показника неадитивності.
4. Вперше отримані аналітичні залежності часу гасіння модельних вогнищ пожеж класів А і В для різних комбінацій вогнегасних речовин і складів (порошок П-2АП, повітряно-механічна піна, розпилена вода, у тому числі з добавками ПАР і солі NaCl); при цьому визначені найбільш оптимальні бінарні комбінації досліджуваних складів, а також розрахункові інтенсивності їхньої подачі на вогнище горіння.
Досліджені бінарні комбінації вогнегасних речовин при одночасній їхній подачі проранжовані за ефективністю в такий спосіб:
- для вогнища класу А: вогнегасний порошок + розпилений розчин солі > вогнегасний порошок + розпилена вода > вогнегасний порошок + повітряно-механічна піна > вогнегасний порошок + розпилений розчин піноутворювача (у порядку убування вогнегасний ефективності);
- для вогнища класу В: вогнегасний порошок + розпилений розчин піноутворювача > вогнегасний порошок + повітряно-механічна піна > вогнегасний порошок + розпилена вода (у порядку убування вогнегасної ефективності).
Встановлено, що при одночасній подачі вогнегасного порошку і повітряно-механічної піни при гасінні модельного вогнища класу А має місце ефект антагонізму, а для всіх інших сполучень речовин проявляється синергізм.
При гасінні модельного вогнища класу В для всіх досліджених бінарних композицій вогнегасних речовин (при одночасній їхній подачі) зафіксовано ефект синергізму, що проявляєть-ся більш істотно, ніж для вогнища класу А.
5. Вперше сформульована концепція комбінованого пожежогасіння, що полягає в посиленні або ослабленні результуючого впливу вогнегасних речовин і складів за рахунок комплексного використання їхніх фізико-хімічних характеристик і природи механізму взаємного впливу, що обумовлює синергізм чи антагонізм властивостей у залежності від параметрів і послідовності їхньої подачі на вогнище пожежі.
6. З використанням методу моделювання, що заснований на теорії гідравлічної подібності, створений ручний і лафетний ствол комбінованої подачі вогнегасних речовин.
Особливістю створених стволів є те, що подача вогнегасних речовин здійснюється за принципом коаксіальності, порошковий струмінь виходить зі ствола закільцьованим водяним струменем.
Розроблений ручний ствол став виконавчим елементом мобільної причіпної установки комбінова-но-го пожежогасіння УКП-250/100, що показала себе дуже ефективним засобом боротьби з пожежами. Дана установка прийнята до серійного виробництва Прилуцьким заводом "Пожмашина".
Проведено розрахунки інтегрального показника ефективності причіпної комбінованої установки УКП-250/100 і причіпної порошкової установки УППУ-250П. Показано, що інтегральний показник ефективності комбінованої установки УКП-250/100 на 53% перевищує інтегральний показник ефективності порошкової установки УППУ-250П.
7. Розроблено практичні рекомендації з практичних прийомів комбінованої подачі вогнегасних речовин з різних технічних пристроїв для гасіння пожеж різних класів.
Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у роботах:
1. Жартовский В.М., Шкоруп А.И., Цапенко А.С. Модели процессов тушения очагов пожара огнетушащими веществами при их комбинированном применении // Науковий вісник УкрНДІПБ. - 2002. -№2. - С.160-165.
2. Шкоруп О.І., Дуняк О.В. Метод гідродинамічного моделювання при створенні лафетного ствола комбінованого пожежогасіння // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр.-Донецк: НИИГД, 2002. - С. .
3. Шкоруп О.І. Експериментальна установка для дослідження параметрів подачі комбінованих вогнегасних речовин // Проблемы пожарной безопасности: Спец. вып. науч. тр. - Харьков: ХИПБ МВД Украины, 1999. - С. 91-95.
4. Шкоруп А.И., Дуняк О.В. Экспериментальная стационарная полигонная установка для комбинированной подачи огнетушащих веществ // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Харьков: ХИПБ МВД Украины. - 1998. - Вып.4. - С. 225-228.
5. Билкун Д.Г., Шкоруп А.И., Мошковский Н.С., Дуняк О.В., Подгайный А.В., Куликов-ский В.С., Кравченко Н.В. Тушение пожаров классов А и В комбинированным способом в полигонных условиях // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - К.: УкрНДІПБ МВС України, 1995. - С.94-97.
6. Шкоруп А.И., Степаненко С.Г. Влияние режимов подачи порошковых составов в сочетании с другими огнетушащими веществами на эффективность тушения макетных очагов пожаров классов А и В // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Харьков: Мин. обр. Украины и МВД Украины, 1993. - С. 317-319.
7. Степаненко С.Г., Шкоруп А.И., Волошаненко А.И. Лабораторный стенд для комби-нированной подачи огнетушащих веществ // Средства порошкового пожаротушения: Сб. науч.тр. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. - С. 98 - 102.
8. Шкоруп А.И., Степаненко С.Г., Волошаненко А.И. Особенности тушения очагов пожара классов А и В в лабораторных условиях // Средства порошкового пожаротушения: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. - С. 119-125.
9. Шкоруп А.И., Подгайный В.П. Параметры подачи огнетушащих порошков на тушение некоторых легко воспламеняющихся и горючих жидкостей // Средства порошкового пожаротушения: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1989. - С. 47-51.
10. Шкоруп А.И. Модель процесса тушения очагов пожара огнетушащими веществами при их одновременной подаче // Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий: Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Донецк: НИИГД, 2002. - С. 155-157.
11. Дуняк О.В., Білкун Д.Г., Шкоруп О.І., Куликівський В.С., Підгайний А.В., Крисаєв В.І. Ствол пожежний лафетний комбінований // Пожежна безпека: Мат. III наук.-практ. конф. - К.: УкрНДІПБ МВС України, 1998. - С. 250-251.
12. Мошковский Н.С., Шкоруп А.И., Крисаев В.И., Подгайный А.В., Куликовский В.С., Дуняк О.В. Анализ результатов эксперимен-тальных исследований по устойчивости пен и совместимости с огнетушащими порошками // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - К.: УкрНДІПБ МВС України. - 1995. - С. 190 -193.
13. Абрамов А.А., Степаненко С.Г., Шкоруп А.И. Параметры горения модельного очага клас-са А // Средства порошкового пожаротушения: Сб. науч.тр. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. - С. 3-5.
14. Шкоруп А.И., Степаненко С.Г., Волошаненко А.И. Исследования по эффективности тушения макетных очагов пожаров класса А и В различными огнетушащими веществами и их комбинациями // Проблемы производства и применения огнетушащих порошков: Тез. докл. Всесоюз. науч.-практ. конф. "Проблемы производства и применения огнетушащих порошков", 1_ апр. 1991 г. - Кингисепп - Ленинград, 1991. - С. 64-65.
15. Способ тушения пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей: А.с. 1416129 СССР, МКИ А 62 С 1/20, 3/12 / А.И. Волошаненко, И.М. Мельниченко и А.И. Шкоруп (СССР). - № 4201065/46-12; Заявлено 05.01.87; Опубл. 15.08.88, Бюл. № 30. - 4 с.
16. Пат. 19441 Україна, МКИ А 62 С 35/00. Комбінований пожежний ствол / В.С. Куликівський, О.І. Шкоруп, О.В. Дуняк (Україна). - № 94052166; Заявл. 03.05.94. Опубл. 25.12.97, Бюл. № 6. - 1 с.
АНОТАЦІЯ
Шкоруп О.І. Визначення раціональних параметрів комбінованої подачі вогнегасних речовин для підвищення ефективності пожежогасіння. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.02 - пожежна безпека. - Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, Макіївка, 2003 р.
У дисертації подане теоретичне обґрунтування і рішення науково-технічної задачі, що полягає у визначенні раціональних параметрів комбінованої подачі вогнегасних речовин (одночасна, одночасно-послідовна, послідовно-одночасна), розробці нового ручного і лафетного стволів комбінованої подачі вогнегасних речовин, особливістю яких є коаксіальність порошкового і водяного струменів (порошковий струмінь виходить зі ствола закільцьованим водяним струме-нем), створенні технічних засобів комбінованої подачі вогнегасних речовин і тактичних прийо-мів комбінування подачі вогнегасних речовин зі штатної пожежної техніки при гасінні пожеж.
Ключові слова: комбінована подача вогнегасних речовин, пожежний ствол комбінованої подачі вогнегасних речовин, раціональні параметри комбінованої подачі вогнегасних речовин, синергізм або антагонізм
