МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА та ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт

у гірничій промисловості

(МакНДІ)

Касьянов Микола Анатолійович

УДК 614.841:614.842.61(497.2):

614.844

Розвиток теорії І ВДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБІВ ТА ЗАСОБІВ ІМПУЛЬСНОГО ПОЖЕЖОГАСІННЯ ОБ’ЄКТІВ ПРОМИСЛОВОГО ТРАНСПОРТУ

Спеціальність 21.06.02 – „Пожежна безпека”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Макіївка-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені
Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки України (м. Луганськ).

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор,
член-кореспондент АПН України
Голубенко Олександр Леонідович,
ректор СНУ ім. В. Даля

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор
Пашковський Петро Семенович,
перший заступник директора з наукової роботи
Науково-дослідного інституту гірничорятувальної
справи та пожежної безпеки „РЕСПІРАТОР”
(м. Донецьк);

- доктор технічних наук, професор
Булгаков Юрій Федорович, Донецький державний
технічний університет, завідувач кафедри охорони
праці та аерології (м. Донецьк);

- доктор технічних наук, професор
Сухов Андрій Костянтинович,
Севастопольський національний технічний
університет, кафедра прикладної екології та охорони
праці (м. Севастополь).

Провідна установа - Севастопольський військово-морський інститут

ім. П.С. Нахімова Міністерства оборони України,

кафедра живучості кораблів, водолазних та судно-

підіймальних робіт (м. Севастополь).

Захист відбудеться 14 травня 2004 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий 9 квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. В.Р. Алаб’єв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсифікація виробничих процесів в умовах всезростаючої концентрації промислових об'єктів і зв'язане з цим посилення техногенних факторів обумовлює гостру необхідність випереджальних темпів розвитку систем безпеки життєдіяльності людини і охорони праці.

Серед усіх видів небезпечних і шкідливих впливів на людину і господарські об'єкти найбільш згубними є пожежі, що, як правило, приводять до найбільш негативних економічних наслідків і наносять колосальний соціальний збиток. У США, Великобританії і Японії сумарні втрати від пожеж перевищують 0,8% від валового національного продукту, у Росії – 1,2%.

У 2001 р. в Україні зареєстровано 60743 пожежі. У порівнянні з 2000 р. на 23,8% виросли економічні втрати від них, на 7,4% – кількість знищених і ушкоджених вогнем споруд, на 3% – засобів автотехніки (у вогні кожної 16-ї пожежі згоряв 1 засіб).

У виробничій сфері найбільшу пожежну небезпеку представляють об'єкти промислового транспорту (залізничний і автомобільний транспорт, конвеєри, нафтогазопроводи та інш.). Це зв'язано з високою концентрацією на транспорті легкозаймистих і пальних речовин, масогабаритними обмеженнями засобів пожежогасіння, погрозою поширення вогнищ загорянь на інші, у т.ч. стаціонарні, засоби виробництва. На території країн СНД тільки на залізничному транспорті за 1985-1990 р.р. згоріло 218 електровозів, 614 тепловозів, 5500 одиниць вантажного рухливого складу і 1900 стаціонарних об'єктів. Збиток перевищив 36,2 млн.крб. (за курсом 1991 р.).

Однією з основних причин росту втрат від пожеж, окрім невиконання превентивних мір, є незадовільна ефективність автоматичних засобів пожежогасіння за критеріями швидкодії та інтенсивності подачі вогнегасних речовин (ВР). Так, у 1997, 1998, 1999 р.р. на об'єктах, оснащених такими системами, виникло 504, 395, 337 пожеж відповідно, але успішно спрацювали – у 1997 р. – 236, у 1998 р. – 260 і в 1999 р. – 241 установка пожежогасіння, тобто у кращому випадку 70 %. Існуючі полум’япритискуючі пристрої характеризуються невисокою здатністю забезпечувати необхідну концентрацію ВР у локальних зонах об’єму, що захищається, за відносно короткий період активного формування струменя. Відзначене обумовлено рядом факторів, основними з яких є: незадовільна динаміка зміни тиску газів у зарядній камері; нерівномірність швидкості і концентрації ВР у поперечному перерізі струменя; малий кут розкриття вісесиметричного конічного струменя (до 20); неповнота викиду ВР з робочої камери виконавчого пристрою.

Цілеспрямоване удосконалювання модульних установок пожежогасіння припускає проведення заглиблених досліджень фізичної сутності процесів подачі ВР з імпульсних пристроїв через різні насадки, виявлення умов формування необхідної конфігурації струменя ВР в об’ємах, що захищаються.

Розвиток теоретичних основ робочих процесів імпульсної подачі ВР, поряд з широкими експериментальними дослідженнями, повинен сприяти створенню нових способів і засобів пожежогасіння, у першу чергу, імпульсного принципу дії, що задовольняють вимогам по швидкодії і високій ефективності систем протипожежного захисту транспортних об'єктів.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами НДР, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт СНУ ім. В.Даля, координаційних планів МВ ССО СРСР і МОН України „Розробка систем виявлення і придушення загорянь” на 1976-1980 р.р., 1981-1985 р.р. за темами: „Дослідження та розробка автоматичної швидкодіючої системи локального пожежогасіння в обмежених приміщеннях”, „Дослідження та розробка автоматичної системи придушення загорянь у резервуарах з плаваючим дахом”, „Дослідження та розробка вогнегасників з газогенеруючими зарядами”, „Розробка і впровадження системи локального пожежного захисту фарбувальних відділень”, „Розробка і впровадження системи автоматичного порошкового пожежогасіння (САПП) на ділянці фарбування великогабаритних вузлів механоскладального цеху”, „Наукові основи розробки автоматичних швидкодіючих систем локального пожежогасіння”; Державною програмою забезпечення пожежної безпеки в 1995 – 2000 р.р., затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України від 03.04.95 р. № 238 і Програмою забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 р., затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України від 01.06.02 р. № 870 за темою „Наукові основи енерго- і ресурсозбереження об'єктів підвищеної небезпеки”, що виконувалися автором в якості виконавця, відповідального виконавця або керівника, і відображена в звітах з НДР № державної реєстрації 75011525, 79020487, 80012084, 01.84.0028901, 01900015269, 01860042191.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні ефективності протипожежного захисту об'єктів промислового транспорту розвитком теорії, удосконалюванням способів та засобів імпульсного пожежогасіння.

Відповідно поставленій меті визначені задачі досліджень:

- аналіз і узагальнення основних напрямків розвитку засобів імпульсного пожежогасіння;

- удосконалювання математичних моделей робочого процесу подачі двохфазних порошковогазових і рідинногазових сумішей з виконавчих пристроїв імпульсної дії;

- розробка та дослідження стендів для оцінки вогнегасної здатності різних речовин при імпульсній подачі;

- проведення розрахунково-експериментальних досліджень по уточненню механізму подачі двохфазних сумішей із полум'япритискувачів імпульсної дії і встановленню зв'язку між їхніми конструктивними параметрами і характеристиками подачі;

- удосконалювання і розробка способів та засобів протипожежного захисту об'єктів промислового транспорту;

- створення різних конструкцій полум'япритискуючих пристроїв.

Об'єкти дослідження – процес гасіння пожеж в умовах експлуатації об’єктів промислового транспорту.

Предмети дослідження – параметри подачі вогнегасних речовин за допомогою імпульсних засобів з газогенеруючими зарядами.

Методи дослідження – аналітичній і експериментальний, що базуються на теорії горіння, математичній фізиці, гідро- і газодинаміці, математичному і фізичному моделюванні досліджуваних процесів і гасінні пожеж об'єктів промислового транспорту, експериментальному визначенні параметрів подачі ВР зі стендовими, лабораторними і полігонними їхніми оцінками.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- узагальнені основні напрямки розвитку способів та засобів імпульсного пожежогасіння об'єктів промислового транспорту, запропоновані концепції удосконалювання їхніх властивостей;

- отримані нові уявлення фізичних особливостей процесу витікання і формування струменя вогнегасних речовин, що дозволили розвити математичну модель робочого процесу полум’япритискуючого пристрою, основні положення якої уточнені обліком кінетичної енергії турбулентного шару струменя і питомої швидкості дисипації, а також коагуляції часток ВР при взаємодії з твердими поверхнями та іншими струменями;

- розроблені принципи організації робочого процесу і дослідження характеристик полум’япритискуючих пристроїв, отримані нові дані розрахунково-теоретичних і експериментальних досліджень імпульсної подачі ВР. Уперше розкрито механізм впливу термодинамічної і кінетичної нерівноваги окремих фракцій порошковогазової і рідинногазової сумішей основної ділянки струменя на вогнегасний потенціал об’єму оболоку ВР, що формується полум’япритискуючим пристроєм;

- уперше виявлено резерв поліпшення характеристик імпульсної подачі ВР за рахунок застосування багатокамерного газогенеруючого пристрою з послідовним включенням у роботу ініціюючих зарядів. Сформульовано умови збереження зарядного потенціалу, достатнього для багаторазового спрацьовування полум’япритискуючого пристрою при повторному загорянні об'єкта, що захищається;

- експериментально з використанням розроблених стендів кількісно оцінено вплив динамічної складової струменя на ефективність пожежогасіння. Встановлено можливість зменшення витрати ВР на 30%...36% підвищенням швидкості переднього фронту струменя з 10 м/с до 100 м/с;

- обґрунтована доцільність збільшення кута розкриття вісесиметричноого конічного струменя ВПС, що витікає з насадка полум’япритискуючого пристрою, до 45...50 за рахунок розміщення на внутрішній поверхні конічної частини корпуса похилих лопаток з метою забезпечення вирівнювання щільності розподілу ВПС в об’ємі, що захищається. Показано, що досягнуте в такий спосіб підвищення гомогенності оболока і виключення зон з надлишковою концентрацією ВПС сприяє скороченню розходу ВР у 1,4...1,5 рази.

Практичне значення отриманих результатів

1. Використання уточненої математичної моделі робочого процесу імпульсної подачі вогнегасних речовин, що враховує питому швидкість дисипації і шорсткість поверхні, обмежуючої об’єм формування струменя речовин, дозволяє розширити уявлення про механізм подачі та виявити основні фактори, впливаючі на її параметри.

2. Результати розрахунково-експериментальних досліджень параметрів імпульсної подачі вогнегасних речовин дозволяють розкрити механізм впливу різних факторів на тактико-технічні характеристики виконавчих пристроїв і розробити рекомендації з розширення області їх застосування в практиці пожежогасіння.

3. Експериментальні дослідження імпульсної подачі вогнегасних речовин підтвердили можливість істотного поліпшення показників полум’япритискувачів. Дослідницькі стенди для імпульсної подачі вогнегасних речовин можуть служити як об'єктом досліджень, так і інструментом вивчення впливу швидкості подачі різних вогнегасних речовин на ефективність пожежогасіння.

4. Результати і рекомендації виконаної роботи сприяють створенню сучасних способів та засобів подачі вогнегасних речовин, що забезпечують прогресивні техніко-економічні показники систем протипожежного захисту.

5. Запропоновано нові засоби для оцінки властивостей вогнегасних речовин при імпульсній подачі, а також нові способи та засоби гасіння пожеж, новизна технічних рішень яких підтверджена авторськими свідоцтвами та патентами: стенди для імпульсної подачі вогнегасних речовин (А.с. 1289514, 1367985, 1472071, 1639671); способи гасіння пожеж у замкнутому обсязі (А.с. 1219099) і у вентильованих тунелях (А.с. ) за допомогою пласких струменів, що дозволяють істотно скоротити витрати вогнегасних речовин і вартість пожежогасіння; пристрої для придушення вибухів і загорянь (А.с. 1279096); вогнеперешкоджувач (А.с. 1148627); автоматична установка для гасіння пожежі в резервуарі (А.с. ); касетний полум’япритискуючий пристрій для захисту рухомих відсіків та інших об’ємів транспортних об'єктів (А.с. ); засіб для пожежного захисту моторного відсіку автомобіля (Пат. А); газогенеруючий пристрій (А.с. ); пристрій для забезпечення пожежної безпеки переважно при різці трубопроводів з пальною речовиною (А.с. ); вогнегасники (А.с. 731977, 1082443, 1207008, 1308336, 1326283).

Результати роботи використовуються в практичній діяльності підприємств при забезпеченні протипожежного захисту: на Сєвєродонецькому хімічному комбінаті “Азот” у бензотанулці цеху гідрування виробництва капролактаму при зливі вуглецевої сировини із залізничних цистерн; на Лисичанському нафтопереробному заводі в резервуарі з плаваючим дахом, ємністю 50 тис.м3; на Сватівському заводі торговельного обладнання у трьох фарбувальних відділеннях з наявністю конвеєрів і камер сушіння; інш. підприємствах. Зразок автоматичної системи локального пожежогасіння АСЛП-8КБ відмічено бронзовою медаллю ВДНГ України.

Результати роботи використовуються у навчальному процесі Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля та інших вузів при підготовці студентів транспортних спеціальностей, а також в проектних і дослідницьких підрозділах ВАТ ХК “Луганськтепловоз” відповідно до перспективної Програми розвитку “Укрзалізниці” на 2004-2007 р.р.

Особистий внесок здобувача. Внесок автора в роботи, виконані в співробітництві, полягав у формуванні напрямку досліджень, постановці завдань, виборі шляхів їх вирішення, постановці і проведенні експериментів, обробці, аналізі та інтерпретації отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень розглядалися й обговорювалися на: Всесоюзній науково-практичній конференції „Проблеми пожежо- і вибухозахисту технологічного устаткування” (м. Москва, 1977р.); II Всесоюзній науково-технічній конференції „Пожежовибухозахист виробничих процесів у металургії” (м. Москва, 1983р.); ІІ Всесоюзній науково-практичній конференції „Вибухобезпека технологічних процесів, пожежо- і вибухозахист устаткування та споруд” (м. Северодонецьк, 1985р.); Республіканській науково-технічній конференції (м. Луганськ, 1986р.); ІІІ Всесоюзній науковій конференції „Пожежовибухобезпека виробничих процесів у металургії” (м. Москва, 1987р.); Республіканському науково-технічному семінарі „Профілактика і гасіння пожеж на об'єктах народного господарства” (м. Севастополь, 1988р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Створення і використання високоефективних науковоємних ресурсозберігаючих технологій, машин і комплексів” (м. Мо-гилів, Білорусь, 2001р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми використання низькочастотних коливань у технологічних цілях” (м. Луганськ, 2001р.); V Міжнародній науково-практичній конференції „Пожежна безпека-2001” (м. Львів, 2001р.); XII Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2002р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції „Обробка, зварювання та зміцнення конструкційних матеріалів. Якість і перспективи розвитку” (м. Луганськ, 2002р.); Щорічній науково-технічній конференції „Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 2003р.); VI науково-практичної конференції „Пожежна безпека-2003” (м. Харків, 2003р.); XIIІ Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2003р.); Міжнародній науково-практичної конференції „Екологія. Енергозбереження. Економіка” (м. Суми, 2003р.); щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В.Даля (1984 – 2003р.), зокрема, у 2002р. на тему: „Розробка виконавчих пристроїв для систем протипожежного захисту транспортних засобів”, у 2003 р. – „Дослідження і створення системи автоматичного пожежного захисту об'єктів промислового транспорту”.

Дисертація цілком доповідалася і одержала схвалення на науково-технічному семінарі при спеціалізованій раді Д 29.051.03 – “Промисловий транспорт” у СНУ ім. В. Даля (26.03.03 р.) та на розширеному засіданні науково-технічної ради відділу загальної безпеки шахт МакНДІ (30.07.03 р.).

Публікації. Основою дисертації є 61 публікація, у тому числі: 21 у професійних виданнях ВАК та прирівняних до них (16 – без співавторів); 4 – монографії (2 – без співавторів); 1 – навчальний посібник (з грифом МОН); 1 – рекомендації, 1 – патент України; 23 – авторських свідоцтва на винаходи; 1 – препринт, 9 – тез доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертація має загальний обсяг 439 сторінок машинописного тексту, включаючи перелік умовних позначень на 4 сторінках, 133 рисунка та 20 таблиці на 87 сторінках, список літератури із 281 найменування на 18 сторінках та 22 додатки на 48 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми удосконалення імпульсних полум’япритискуючих засобів для систем пожежного захисту об’єктів промислового транспорту, сформульовані мета та завдання дослідження, показані наукова новизна і практична цінність роботи.

Перший розділ присвячений дослідженню статистичних даних зі шкоди, причин виникнення і розвитку пожеж об'єктів промислового транспорту, способів і засобів подачі вогнегасних речовин, існуючих методів дослідження. У ньому сформульовано завдання дослідження, а також обґрунтовано основні принципи створення вогнегасних пристроїв, здатних забезпечити імпульсну подачу порошкових і рідинних вогнегасних речовин з урахуванням специфічних для об'єктів промислового транспорту особливостей.

Серед зарубіжних робіт, пов'язаних зі швидкодіючими системами пожежної безпеки транспортних засобів, відомі дослідження англійської фірми „Graviner”, її американської філії „Fenval”, німецької фірми „Deugra”. Досвід експлуатації систем фірми „Graviner” дозволив установити, що найбільш істотними недоліками цих систем є їх схильність до помилкових спрацювань і складність заправлення вогнегасною речовиною.

Значний внесок у розробку імпульсних засобів протипожежного захисту зроблено Еглітом Ю.Я., Абдурагімовим І.М., Надубовим В.О., Баратовим А.М., Івановим Б.Н., Пашковським П.С, Севріковим В.В., Козлюком А.І., Захматовим В.Д., Абрамовим Ю.О., Кудіновим Ю.В., Колосюком В.П., Булгаковим Ю.Ф.

У результаті аналізу існуючих методів дослідження способів та імпульсних засобів подачі вогнегасних речовин установлено, що їх проведення сполучене з рядом методичних труднощів і зв'язано з моделюванням умов навколишнього середовища, урахуванням специфіки об'єкта промислового транспорту.

Зі зміною інтенсивності горіння рідини оптимальна інтенсивність подачі ВПС змінюється за лінійним законом. Відомий метод розрахунку, сутність якого полягає у визначенні усередненої швидкості витікання ВПС методом енергетичного балансу з наступним застосуванням елементів теорії розрахунку двофазних струменів, а довжина струменя визначається на основі припущення про рівність швидкості потоку газу в кінцевому перетині струменя і мінімальної швидкості газу, необхідної для горизонтальної подачі часток порошку. Але при цьому здатність і можливість часток порошку знаходитися в зваженому стані через “парашутний” ефект внаслідок малої дисперсності і маси не враховується.

Методи дослідження способів і засобів подачі вогнегасних речовин не враховують ступінь механічного впливу високошвидкісного потоку вогнегасних речовин (швидкість на виході за насадку > 200 м/с), що подається із імпульсного пристрою з газогенеруючим зарядом.

У першому розділі показані недоліки існуючих способів і засобів імпульсного пожежогасіння та узагальнені основні напрямки їхнього розвитку. Запропоновано концепції удосконалювання їхніх властивостей шляхом вирівнювання концентрації ВР у поперечному перетині струменя, стабілізації швидкості в процесі їхньої подачі в захисну зону і забезпечення здатності пристроїв знаходитися в робочому стані після первісного приведення в дію. Обґрунтовано необхідність удосконалювання пристроїв для оцінки вогнегсних властивостей ВР при імпульсній подачі в захисну зону для оцінки впливу динамічної складової струменя на витрату ВР при гасінні пожеж транспортних об'єктів.

Другий розділ дисертації присвячено теоретичним дослідженням процесу витікання вогнегасних речовин з імпульсного полум’япритискуючого пристрою.

В імпульсних полум’япритискуючих пристроях (рис. 1) для витіснення вогнегасної речовини (ВР) у захисну зону використовується енергія газогенеруючого заряду. Утворені при його роботі під тиском інертні гази здатні розпорошувати і доставляти в зону горіння ВР і додатково діюти на процес гасіння, механічно впливаючи на полум'я.

Теоретичне обґрунтування струминної течії вогнегасного порошку з імпульсного полум’япритискуючого пристрою ґрунтувалося на припущенні про те, що в порошковогазовому струмені об’єм газу-носія складає більш 95%, а об’єм домішки (порошку) не більш 5%.

Рис. 1 Пристрій для придушення вибухів і загорянь: 1 – корпус для вогнегасного порошку; 2 – розпилювальний насадок; 3 – герметизуюча діафрагма; 4 – ініціюючий патрон; 5 – газогенеруючий заряд; 6 – зрізний диск; 7 – розрядна голівка; 8 – притискне кільце; 9 – дефлектор; 10 – конічне днище; 11 – кільцевий зазор; 12 – розпірки; 13 – перфорована трубка; 14 – лопатки

Причому ця суміш до початку витікання формується в корпусі пристрою перерозподілом інертних газів за допомогою дефлектора, у противному випадку буде спостерігатися ефект “прошивання” порошку газами.

Потік вогнегасної речовини, що викидається в суміші з продуктами роботи газогенеруючого заряду з пристрою є високошвидкісним, дозвуковим, вісесиметричним, неоднорідним, несталим і турбулентним.

Дослідження показали, що запропонована раніше модель руху часток порошку відповідає тільки тим з них, що знаходяться на осі конічного порошковогазового струменя. Схема руху часток порошку, що знаходяться на периферії струменя та піддаються інтенсивної турбулізації, відрізняються від раніше запропонованої, і внаслідок утрати кінетичної енергії і через ущільнення повітря в бічній межі струменя, повертаються в струмінь і інтенсивно гальмують його. Фактично порошковогазовий струмінь у поздовжньому перетині не виглядає однорідно, а поділяється на дві зони – центральну і периферійну (рис. ).

Рис. 2. Схема конічного порошковогазового струменя:

1 – центральна зона; 2 – периферійна зона

Центральна зона струменя підживлюється порошком з розпилювального насадка, а периферійна – порошком з центральної зони, тобто тим порошком, що, зустрічаючи інтенсивний опір повітря, утрачає свою швидкість. Але струмінь не розпадається, а поступово розширюється внаслідок здатності порошку через малу дисперсність знаходитися в зваженому стані тривалий час. Відбувається постійне вивертання порошку з центра струменя до його периферії. При цьому струмінь залишається компактним і не спостерігається інтенсивного віднесення порошку за його межі. З часом його поперечний переріз збільшується внаслідок турбулізації часток порошку з периферійної зони.

На процес витікання порошковогазового струменя при вертикальному розташуванні імпульсного полум’япритискуючого пристрою (рис. ) впливають наступні фактори: тиск, щільність, напрямок і швидкість атмосферного повітря, наявність, характер розміщення і геометричні розміри відкритих отворів і устаткування, форма і розмір розпилювального насадка, тиск, створюваний у корпусі продуктами роботи газогенеруючого заряду, температура і щільність порошковогазової суміші в початковому перетині струменя, її швидкість.

Якщо ж врахувати ту обставину, що в порошковогазовому струмені об’єм порошку не перевищує 1/20 всього об’єму, то частка парів води в початковому її перетині доходить до 60...65%, а, отже, говорити про миттєвий її випар на зрізі насадка не можна, і зневажати процесами конденсації також не можна. Можна припустити, що кожна частка порошку на поверхні, зверненій у бік, протилежний напрямку викиду, покрита конденсатом води, а в просторі між частками порошку знаходяться її пари.

Оскільки швидкість витікання порошковогазового струменя на виході з насадка знаходиться в біля- і надзвуковій області (при тиску в корпусі полум’япритискуючого пристрою Р=  МПа початкова швидкість на зрізі насадка становить  ?  м/с). Продукти реакції газогенеруючого заряду не можна вважати нестисливим середовищем, причому зміна щільності обумовлена як тиском, так і внутрішньою енергією води і газів. Необхідність урахування архімедових сил зв'язана з наявністю гравітаційного поля і стискальності суміші.

При такому підході стає очевидним, що внесок парів води в комбінований вплив порошковогазового полум’япритискуючого пристрою на полум'я, з урахуванням механічного зриву полум'я струменем та інгібіруючої дії ВПС, виявляється більш значним ніж до цього передбачалося.

Для опису процесу витікання прийнято, що порошковогазовий струмінь є однокомпонентним теплопровідним суцільним середовищем, у якому відсутня об'ємна в'язкість, а поле масових сил вважається однорідним через невеликі розміри області руху струменя. Стосовно, наприклад, дизельного приміщення тепловоза вони дорівнюють 3,0?3,0Ч10,5 ? (рис. 3). При цьому найкращим буде варіант із використанням трьох полум’япритискуючих пристроїв, що обумовлюється можливістю створення біля прибічних і верхніх поверхонь дизельного приміщення зони максимальної концентрації вогнегасного порошку, що виникне внаслідок зіткнення порошку з периферійних зон трьох порошковогазових струменів та буде компенсувати віднесення порошку повітряним потоком, що набігає.

Рис. 3. Схема дизельного приміщення тепловозу (вид збоку):

1 – дизель; 2 – тяговий генератор; 3 – вентилятор; 4 – порошковогазовий
імпульсний полум’япритискуючий пристрій

Розглянуто рух середнього з трьох струменів, що з погляду моделювання представляє гірший варіант, тому що він зустрічається з перешкодою у виді торцевої частини дизеля й обмежується стелею дизельного приміщення, верхньою поверхнею дизеля і бічними газопорошковими струменями, що рухаються в просторі, обмеженому стелею, підлогою, внутрішньою поверхнею бічної стінки і бічною поверхнею дизеля до зустрічі з перегородкою, що розділяє кабіну керування і дизельне приміщення.

Ці струмені частково утратять свою кінетичну енергію після зустрічі з підлогою, але через високу початкову швидкість (на виході з насадка
200...250 м/с), забезпечать максимальне заповнення порошком мертвих зон у нижній частині дизельного приміщення та у зоні розташування полум’япритискуючих пристроїв.

Турбулентність у всій області руху газопорошкового струменя прийнята ізотропною. Для замикання систем рівнянь турбулентного руху використовується двохпараметрична модель Уілкокса, питома швидкість дисипації при цьому дозволяє ставити граничні умови в пристінній області.

Поводження струменя описане усередненими рівняннями: нерозривності, збереження імпульсу, енергії, енергії турбулентності, питомої швидкості дисипації, турбулентній дифузії, повної енергії, повної ентальпії, зв'язку внутрішньої енергії і внутрішньої ентальпії, турбулентної в'язкості, визначаючих співвідношень (процес передбачається адіабатичним)

(1)

(2)

(3)

(4)

де R, – тензори рейнольдсових і грузлих напруг; I – одиничний тензор; V, q – вектори: швидкості газової частки, теплового потоку, відповідно; r – радіус-вектор точки області G з компонентами (x, y, z); – оператор Гамільтона, Р – тиск суміші; – молекулярна в'язкість і щільність суміші.

Вся границя області струменя умовно розділена на три частини. До першої відноситься зріз насадка імпульсного полум’япритискуючого пристрою, через який відбувається витікання високошвидкісного порошковогазового струменя. До другої відносяться всі непроникні ділянки межі, такі, як передня торцева частина дизеля, поверхні підлоги і стелі дизельного приміщення, бічна стінка вентилятора, передні і бічні стінки дизельного приміщення. До третьої – всі вільні частини межі, через які порошковогазовий потік іде в навколишній простір – відкриті віконні або технологічні прорізи.

Як початкові дані для моделі турбулентності використані параметри атмосферного повітря. Передбачається, що в початковий момент швидкість атмосферного повітря відома і відповідає швидкості руху тепловозу (при безвітрі) або, у гіршому випадку – її сумі зі швидкістю вітру; до початку випробування домішка в повітрі відсутня, відомі початкові значення енергій і , питомої швидкості дисипації , щільність порошковогазової суміші:

(5)

де – концентрація домішки.

Форма границь і визначається конструкцією насадка і дизеля, а їх об'єднання дає замкнуту поверхню. Умови на границі :

(6)

де – час припинення процесу роботи полум’япритискуючого пристрою.

На твердих поверхнях, що обмежують захисний об’єм, для завдання граничних умов використовується закон стінки. Застосування питомої швидкості дисипації дозволяє спростити урахування впливу шорсткості. За допомогою граничної умови виду

, (7)

визначено величину вихрового шару поблизу поверхні дизеля. Величина S є універсальною функцією шорсткості на стінці

(8)

а , (9)

де –висота елементів шорсткості; – дотикуване напруження.

Зважаючи на те, що швидкість на межі дорівнює нулю (умова прилипання), граничні умови на твердій поверхні записані у вигляді

(10)

де = 0,3 – емпірична константа.

Граничні умови на вільних межах :

(11)

Отримана система рівнянь з початковими і граничними умовами містить однакове число диференціальних і алгебраїчних рівнянь щодо кількості невідомих величин і утворить замкнуту систему, рішення якої дозволяє визначити характеристики турбулентного порошковогазового потоку у вільному обсязі дизельного приміщення тепловоза.

У другому розділі з урахуванням специфічних умов об'єктів промислового транспорту теоретично обґрунтовано два нових способи подачі ВПС: у замкнутому об’ємі шляхом подачі вогнегаснго порошку з різних сторін у вигляді двох пласких зустрічно спрямованих сканіруючих струменів, що співударяються, і для підвісних конвеєрів – шляхом створення вогнеперешкоджаючих тунелів (рис. 4).

Рис. 4. Схема способу подачі ВПС шляхом створення
вогнеперешкодних тунелів

В другому розділі виявлені закономірності впливу термодинамічної і кінетичної нерівноваги окремих фракцій порошковогазової та рідинногазової сумішей основної ділянки струменя на вогнегасний потенціал об’єму хмари ВР, що формується полум’япритискуючим пристроєм. Уточнено профіль лінії перетинання пласких взаємно перпендикулярних сканіруючих струменів ВПС різницею його швидкостей на початковій і кінцевій ділянках і траєкторія її руху.

У третьому розділі проаналізовані фізичні особливості робочого процесу імпульсної подачі ВР, що дозволили удосконалити математичні моделі робочого процесу подачі двохфазних порошковогазових і рідинногазових сумішей з імпульсних виконавчих пристроїв.

На основі математичного моделювання визначено швидкості ВР у декількох перетинах рідинногазового струменя, які коректувалися введенням поправочних коефіцієнтів, що враховують вплив змін величин, які характеризують теплові властивості середовища. Сумарні відхилення від рівноваги в критичному перетині струменя, обчислені для трьох радіусів крапель води, показують, що розмір крапель впливає на параметри відхилення від рівноваги в критичному перетині струменя.

Встановлено, що ковзання часток вогнегасного порошку, яке вважалося раніше середньою характеристикою руху, можна в дійсності визначити як різницю швидкості газу і середньої подовжньої складової швидкості твердих часток у період між двома зіткненнями з криволінійними формотворними поверхнями щілинного насадка.

На основі залежності схеми зміни величини тиску вогнегасної суміші в умовах вентильованих об'ємів промислового транспорту від витрати вентиляційного потоку і концентрації вогнегасного складу встановлено, що для збільшення часу ефективної дії необхідно підвищити інтенсивність подачі речовини.

Четвертий розділ дисертації присвячений розробці методики і стендів для дослідження параметрів подачі вогнегасних речовин і оцінки їх вогнегасної здатності, тому що існуючі методи не враховують вплив механічного напору високошвидкісного потоку вогнегасних речовин на ефективність гасіння. Для дослідження характеру формування струменів вогнегасних речовин при їх подачі з імпульсних полум’япритискуючих пристроїв з газогенеруючими зарядами оцінки впливу механічного напору струменя вогнегасних речовин на ефект пожежогасіння розроблено і виготовлено спеціальні стенди (рис. , 6).

Для дослідження ефективності гасіння порошковими складами, мінеральним промисловим пилом, рідинними речовинами розлитих на поверхні лакофарбувальних матеріалів та їх розчинювачів розроблена установка для полігонних випробувань, яка забезпечувала можливість повороту полум’япритискуючого пристрою на заданий кут до модельного вогнища і підйом його на необхідну висоту. Розроблені стенди дозволили виконати візуалізацію динаміки формування струменів різної конфігурації.

Виконавчий пристрій приводився у дію за допомогою розробленої станції „Каскад” з затримкою часу, яка необхідна, згідно до методики, для розвитку процесу горіння на поверхні легкозаймистої рідини.

Рис. 5. Стенд для оцінки вогнегасної здатності різних складів

Рис. 6. Виконавчий пристрій стенду для оцінки і вогнегасної
здатності різних складів

Процес подачі вогнегасних речовин і гасіння модельного вогнища фіксувався на кіноплівці швидкісною кінокамерою СКС-1МА. Оцінка коефіцієнту динамічності та маси газогенеруючого заряду виконувалась з допомогою розроблених пристроїв статичного навантаження, основними елементами якого є гідроциліндр та масляний прес, і динамічного навантаження, який є прототипом реакційної камери, що закріплювалась на дослідному стенді.

Для визначення щільності зрошення і розмірів крапель рідинних ВР було виготовлено спеціальний пристрій, який здатний уловлювати краплі вогнегасної рідини з допомогою імерсійного середовища (в’язка рідина, сажа тощо), котре розміщувалось на металевій стрічці, що встановлювалась в нерухомому блоці і була здатна рухатись з допомогою осердя соленоїда.

З врахуванням підвищених вимог щодо інерційності, чутливості, стабільності характеристик при зміні зовнішніх умов, динамічної та статичної точності, здатності на значні перевантаження при вимірюванні імпульсних тисків розроблено датчики високого, середнього і малого тиску.

Датчик високого тиску призначений для виміру імпульсних тисків в реакційній камері. Як перетворювач використовувався фольговий тензорезистор 2ФКМВ-10-100х (Г). Датчик середнього тиску використовувався для вимірювання тиску порошковогазової або рідинногазової суміші у робочій камері полум’япритискуючого пристрою. Пружний елемент виконано у вигляді стакану, на стінки якого наклеєні робочий і компенсаційний дротяний тензорезистор 2КПБ-5-100х (Г). Датчик малого тиску використовувався для вимірювання тиску у швидкісному потоці фронту розпорошеного струменю подаваних вогнегасних речовин. Оскільки тиск, який вимірюється у високошвидкісних імпульсних потоках газів, характеризується високою частотою протікаючих процесів (10...100 кГц і більше), було використано п’єзокристалічний перетворювач на основі цирконату-тітонату свинцю ЦТС-23 з власною частотою до 200 кГц. Сигнали датчиків подавалися на підсилювач, а потім для запису на шлейфовий світопроменевий осцилограф.

Для керування процесами: підпалення модельного вогнища; включення та виключення електродвигунів кінокамери з метою її розгону і забезпечення визначеного режиму роботи; включення електромагніту редуктора протягання фотопаперу у касеті осцилографа; забезпечення на певний час затримки включення до роботи газогенеруючого заряду; введення в дію котушки соленоїда, розроблено пусковий пристрій з кількома реле для синхронізації у часі роботи всіх засобів з урахуванням того, що процес подачі вогнегасних речовин з полум’япритискуючих пристроїв є імпульсним і займає усього до 300 мс.

У четвертому розділі показано, що процес імпульсної подачі вогнегасних речовин може бути покладений в основу створення нових стендів і методик оцінки вогнегасної здатності ВР при дослідженні впливу їхнього швидкісного напору на параметри гасіння за допомогою імпульсних полум’япритискуючих пристроїв. Створені стенди по оцінці вогнегасної здатності ВР є не тільки засобом, але й об'єктом дослідження. Вони дозволяють зменшити кількість і вартість проведення експериментальних досліджень.

П’ятий розділ дисертації присвячено експериментальним дослідженням методів та імпульсних засобів подачі ВР в умовах об'єктів промислового транспорту.

Експериментальні дослідження були спрямовані, у першу чергу, на визначення концентрації ВР у процесі їх подачі і внеску швидкісного напору порошковогазового і рідинногазового потоків ВР на ефективність застосування імпульсних полум’япритискуючих пристроїв. При цьому вирішувалися й інші проблеми, зокрема, збільшення кута розкриття конічного вісесиметричного струменя ВР. Отримано результати експериментальних досліджень по розподілі щільності ВР за довжиною і радіусом струменя, що витікає з різною швидкістю з декількох типів насадків імпульсного полум’япритискую-чого пристрою.

Експериментальні дослідження щільності розпилення порошку і щіль-ності зрошення рідини за перетином струменя при їх імпульсній подачі про-водилися з використанням методу математичного планування експерименту, розробленого проф. Протод’яконовим М.М. Дослідження швидкості руху струменя на будь-якій ділянці доставки проводилося з використанням конічного, дифузорного, відцентрового, сферичного та щільового розпилювальних насадків.

Швидкість подачі ВР визначається тиском у корпусі полум’япритискую-чого пристрою. У процесі експериментальних досліджень було встановлено, що істотний внесок у зміну швидкості на початковій ділянці струменя вносить конструкція і сумарна площа отворів дефлектора, а також діаметр вихідного отвору у насадку, що впливає на коефіцієнт провідності м.

Виконані експериментальні дослідження дозволили підтвердити теоретичне положення про те, що процес формування вісесиметричного конічного порошковогазового струменя продовжується до моменту падіння тиску в корпусі пристрою. Про це свідчать і кадри швидкісної кінозйомки процесу витікання вогнегасного порошку з моделі пристрою (рис. 7).

Закручування порошковогазової суміші перед виходом із пристрою дозволило перерозподілити щільність розпилення у бік її вирівнювання на вісі та периферії струменю. Якщо при розрахунках врахувати закон зміни щільності розпилення по радіусі R струменя, то

, (12)

де – масштабний коефіцієнт; – характерний досліджуваний перетин струменя; – характеристика крутості графічної залежності q від R.

Рис. 7. Фрагменти швидкісної кінозйомки процесу витікання вогнегасного
порошку при горизонтальній подачі з моделі полум’япритискуючого
пристрою з конічним насадком (кут розкриття конуса =30)

. (13)

Результати експериментальних і теоретичних досліджень по визначенню q представлені у виді тривимірних графіків на рис. 8, 9, аналіз яких свідчить про їх високу збіжність на довжині струменя L до 5,5 м і радіусі R до 1 м.

Рис. 8. Графік розподілу щільності q вогнегасного порошку по довжині L і по радіусі R струменя (математичне моделювання)

Рис. 9. Графік розподілу щільності q вогнегасного порошку по довжині L і по радіусі R струменя (експериментальні значення)

Встановлено – різниця швидкостей двох фаз складає 20...35звідки випливає, що частка порошку не може мати таку ж швидкість як і оточуючій її газ з парою води. Швидкість одиничної частки порошку міняється неупорядковано, що, вочевидь, залежить від положення частки в струмені і від зіткнень з іншими частками. На рис. представлені об'ємні графіки розподілу щільності розпилення порошку по перетину струменя при їхній подачі імпульсним полум'япритискуючим пристроєм з різною конструкцією дефлектора.

При горизонтальному витіканні порошку в рівняннях не враховується сила ваги, але внаслідок малої дисперсності часток і високої їх здатності знаходитися в зваженому стані, можна зробити висновок про вплив сили ваги на розподіл часток по поперечному перетину.

Рис. 10. Розподіл щільності розпилення порошку ПСБ-2 у
перетинах горизонтального струменя при = 5 м для конічного
насадку з кутом: а – = 20 (простий дефлектор); б – = 50
(дефлектор у вигляді перевернутого перфорованого стакану)

Оснащення пристрою дефлектором (рис. 1), виконаним у вигляді стакану з конічним днищем, конус якого спрямований убік розрядної голівки з кільцевим зазором стосовно неї, дозволяє одержати максимальну швидкість порошковогазової суміші. Її закручування у нижній конічній частині корпусу перед насадком дозволяє також внести істотний вклад у зміну швидкісного режиму порошковогазового струменю.

При цьому перерозподіляється щільність його потоку і забезпечується повнота викиду ВПС незалежно від розташування полум’япритискуючого пристрою в об’ємі, що захищається.

Для порошку залежність щільності розпилення по довжині струменя носить статечної характер, знижуючи від центра до периферії перетину струменя. На характер розподілу щільності зрошення рідини основний вплив робить тип розпилювального насадка, його форма і коефіцієнт провідності.

Обробка результатів експериментів проводилася на ЕОМ за програмою “ПОЛІНОМ”. Отримано математичні моделі, що описують зміну швидкості струменю на ділянці доставки при витіканні вогнегасної речовини з полум’япритискуючого пристрою.

У результаті розрахунково-експериментальних досліджень імпульсної подачі ВР виявлено і проаналізовано закономірності впливу конструктивних параметрів виконавчих пристроїв на їхні експлуатаційні характеристики.

Встановлено, що використання в щілинному насадці розсікувачів із криволінійними поверхнями дозволяє збільшити кут розкриття струменя на 17°...20° у порівнянні з розсікувачами з прямолінійними поверхнями при тій же величині клиностворюючого кута. Це пояснюється тим, що процес формування початкової ділянки струменя за допомогою розсікувачів із криволінійними поверхнями здійснюється на всьому протязі формотворних поверхонь клина і завершується в момент відриву часток порошку від насадка.

Шостий розділ дисертації присвячено розробці і впровадженню імпульсних полум’япритискуючих пристроїв в умовах об'єктів промислового транспорту.

Експериментальні дослідження роботи газогенеруючого пристрою при послідовному включенні камер показали, що залежність зміни тиску в часі є складною. У той же час спостерігається несуттєва зміна тиску в часі в корпусі вогнегасника.

З графіків, побудованих на підставі осцилограмм (рис. ), видно, що відхилення тиску в корпусі вогнегасника від середнього рівня (пунктирна лінія) є незначним. Основну увагу при розробці імпульсних засобів пожежогасіння було звернено на забезпечення готовності до використання виконавчого пристрою після його початкового спрацьовування, тобто – багатократності використання і вирівнювання швидкості подачі ВР.

З цією метою розроблено газогенеруючий пристрій (рис. 12), призначений переважно для імпульсних вогнегасників, що забезпечує стабільність робочого тиску у вихідному газохідному каналі і можливість використання в пристрої для локалізації пожежі (рис. 13) при проведенні ремонтних робіт на трубопроводах з пальною речовиною при “вирізці - врізці” його дефектних ділянок або при післяаварійному ремонті трубопроводу.

Рис. 11.