МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

ПОПОВ МАКСИМ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 614.842.615

ЗНИЖЕННЯ ІНТЕНСИВНОСТІ ПОЖЕЖІ У КОРАБЕЛЬНИХ ПРИМІЩЕННЯХ МЕТОДОМ ВАКУУМУВАННЯ

21.06.02 - Пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському військово-морському ордена Червоної Зірки інституті ім. П.С. Нахімова (СВМІ) МО України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Нікітін Євген Васильович, СВМІ МО України, професор кафедри живучості кораблів, водолазних та суднопідіймальних робіт

Офіційні опоненти: член-кореспондент Академії гірничих наук України, доктор технічних наук Кашуба Олег Іванович, завідувач сектором Макіївського науково-дослідного інституту безпеки робіт гірничої промисловості

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ковалишин Василь Васильович, проректор з науково-дослідної роботи Львівського інституту пожежної безпеки МНС України

Провідна установа: Академія цивільного захисту МНС України (м. Харків)

Захист відбудеться “ 15 “ червня 2004 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.720.01 в Українському науководослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий “ 5 “ травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Сопенко С.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Порівняльний аналіз статистики пожеж на кораблях і суднах різних країн світу свідчить про схожість причин, місць виникнення пожеж. Статистика також показує, що в мирний час пожежі і вибухи становлять близько 35% від усіх аварій і посідають друге місце після навігаційних. При цьому однією з основних причин аварій є загорання пального і вибухи його парів. У більшості випадків (45%) місця виникнення пожеж на кораблях і суднах - енергетичні відсіки та трюми. В даний час машинні відділення кораблів і суден ВМС ЗС України обладнані системами об'ємного пожежогасіння, у яких використовуються озоноруйнівні вогнегасні речовини. У зв'язку з приєднанням України до Монреальського протоколу 1987 р. про обмеження застосування озоноруйнівних речовин та Постановою Кабінету Міністрів України від 4 березня 2004 р. № 256 "Про затвердження Програм припинення виробництва та використання озоноруйнівних речовин на 2004-2030 роки" актуальним є проведення теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на пошук нових способів гасіння корабельних пожеж. Вони повинні бути прості й ефективні, не потребувати значних матеріальних витрат на їх упровадження і збільшення витрат на експлуатацію технічних засобів пожежогасіння. У цій роботі теоретично й експериментально обґрунтовано ефективність зниження інтенсивності пожежі у герметичних корабельних приміщеннях шляхом зниження тиску газового середовища за допомогою технічних засобів енергетичної установки.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувалися в рамках науково-дослідної роботи, що ввійшла до переліку напрямків наукових досліджень ВМС України на 1999-2001 роки (НДР на замовлення Управління озброєння і судноремонту Військово-морських Сил України), до Директиви Заступника Міністра оборони України – Командувача ВМС № ДК-5 від 30.01.1998 р. "Про позачергові дії по забезпеченню живучості кораблів і суден ВМС України", "Державної програми забезпечення пожежної 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.

Мета роботи – удосконалення технології пожежогасіння кораблів і суден шляхом використання можливості енергетичних установок вакуумувать аварійне приміщення.

Задачі дослідження. Для досягнення сформульованої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести теоретичне дослідження процесу дифузійного горіння рідин і умов припинення їх горіння за тиску нижче атмосферного;

- розробити математичну модель дифузійного горіння рідини, що описує теплообмін між дзеркалом рідини, полум'ям і навколишнім середовищем в процесі дифузійного горіння вуглеводневих рідин у герметичному приміщенні та його припиненні за тиску нижче атмосферного;

- розробити методику і створити експериментальну установку для дослідження параметрів дифузійного горіння та умов його припинення в розрядженому середовище;

- оцінити вплив величини розрідження газового середовища на тривалість пожежі в герметичному приміщенні;

- дослідити вплив ефекту кипіння горючої рідини в умовах вакуумування на процес її дифузійного горіння;

- оцінити технічні можливості корабельних енергетичних установок щодо створення розрідження в аварійному приміщенні;

- оцінити вплив величини розрідження газового середовища на інтенсивність тепловиділення дифузійного полум'я;

- розробити й обґрунтувати новий спосіб зниження інтенсивності корабельних пожеж методом вакуумування за допомогою енергетичних установок і технічні рекомендації з його реалізації.

Об'єкт дослідження – пожежі в герметичних приміщеннях і способи зменшення їх енергетичного впливу.

Предмет дослідження – умови горіння вуглеводневих рідин та його припинення у герметичному приміщенні за наявності розрідженого газового середовища.

Методи дослідження. У роботі використано класичний метод досліджень, що включає математичне моделювання процесів дифузійного горіння за тиску нижче атмосферного та перевірки адекватності теоретичної моделі експериментом. При моделюванні використано теорією подібності, числові методи математичного аналізу та математичної статистики з застосуванням розроблених комп’ютерних програм. Фізико-хімічні методи досліджень (термометрія, пірометрія, газовій аналіз).

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

- відділ озброєння і судноремонту Військово-морських Сил України доповнив вимоги до кораблів, які проектуються, положеннями про необхідність проектування енергетичних установок з можливістю вакуумування енергетичних відсіків з метою створення більш ефективних систем об'ємного пожежогасіння і локалізації небезпечних факторів пожежі;

- на підставі розроблених вимог, а також методик оцінки швидкості горіння, інтенсивності тепловиділення полум'я, часу до настання умов припинення горіння перероблена інструкція з відкривання машинного відділення після пожежі на судні розмагнічування “Балта”;

- на підставі розроблених вимог і запропонованих технічних рішень модернізовані шахти приймання повітря і розроблені інструкції з пожежогасіння з використанням зниження тиску газового середовища в аварійних приміщеннях на фрегатах ВМС України “Севастополь” і “Дніпропетровськ”.

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при моделюванні пожеж дифузійних палив за тиску нижче атмосферного, розробці методик розрахунку збитку від пожежі, розрахунку тривалості пожежі в герметичних приміщеннях за тиску нижче атмосферного, а також при проектуванні елементів конструктивного протипожежного захисту герметичних приміщень.

Особистий внесок здобувача полягає:

- у проведенні теоретичних досліджень та розробленні математичної моделі, яка описує процес дифузійного горіння горючих рідин та умови його припинення за зниженого тиску;

- в отриманні аналітичних залежностей швидкості горіння горючих рідин від аеродинамічного режиму горіння, фізико-хімічних властивостей рідини, розмірів вогнища пожежі та значення абсолютного тиску (в діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа),

- в уточненні кількісних співвідношень параметрів теплообміну між дзеркалом рідини, полум'ям і навколишнім середовищем, що дає змогу уточнити тепловий механізм дифузійного горіння за зниженого тиску та у теоретичному та експериментальному досліджені впливу кипіння горючої рідини, яке відбувається внаслідок зниження тиску газового середовища, на процес масообміну і швидкість дифузійного горіння вуглеводневого пального;

- у проведенні експериментальних досліджень впливу величини розрідження на параметри горіння пального та в обробленні їх результатів;

- у встановленні закономірності впливу розрідження на величину інтегрального тепловиділення та тривалість дифузійного горіння горючих рідин в герметичних приміщеннях.

Апробація результатів дослідження. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися на науково-технічній конференції "Другий етап розвитку ВМС України" (Науковий центр ВМС України, 14-15 лютого 2001 року), 1-ій науково-технічній конференції "Живучість корабля і безпека на морі" (Севастопольський військово-морський ордена Червоної Зірки інститут ім. П.С. Нахімова, 30 травня - 1 червня 2001 року), науково-практичній конференції “Вибухобезпека корабля в сучасних умовах. Задачі ВМС ЗС України по її поліпшенню” (СПТБ “Пламя”, 3-5 квітня 2002 року), 2-ій науково-технічній конференції " Живучість корабля і безпека на морі" (Севастопольський військово-морський ордена Червоної Зірки інститут ім. П.С. Нахімова, 28 - 30 травня 2003 року), 3-ій науково-технічній конференції ВМС ЗС України „Стан і розвиток ВМС Збройних Сил України на сучасному етапі” (Севастополь, 27-28 листопада 2003 року), розширеному засіданні кафедри Корабельної енергетики і електроенергетичних систем Севастопольського військово-морського ордена Червоної Зірки інституті ім. П.С. Нахімова (2003р.), розширеному семінарі науково-дослідного центру проблем пожежогасіння та рятівних робіт (УкрНДІПБ МНС України, 25 грудня 2003 року).

Публікації: основні наукові положення і результати досліджень опубліковано у 7 наукових статтях, у тезах 3-х доповідей на наукових конференціях, у 2-х патентах України на спосіб об'ємного пожежогасіння в ізольованому і герметичному корабельному приміщенні та на спосіб очищення газового середовища приміщень від продуктів горіння після пожежі в умовах корабля.

Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 105 посилань, та 24 додатків. Повний обсяг дисертації 192 сторінки, 4 таблиці, 27 ілюстрації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтовано вибір і актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, визначено наукову новизну, особистий внесок здобувача та практичну значимість роботи.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ наведено результати аналізу літературних джерел за такими напрямками: існуючі способи і засоби гасіння пожеж; причини та джерела виникнення пожеж і вибухів на кораблях; результати досліджень особливостей розвитку пожеж у герметичних приміщеннях; питання моделювання дифузійного горіння рідин за значень тиску, відмінних від атмосферного.

На сучасних кораблях і суднах є різноманітні технічні засоби, частина з яких може бути використана не тільки за прямим призначенням, але й мати багатофункціональне застосування. Зокрема, перспективним є застосування технічних засобів енергетичної установки корабля для створення зниженого тиску в аварійних приміщеннях і використання цього ефекту для зменшення енергетичного впливу корабельних пожеж. Реалізація такого технічного рішення означала б створення на кораблях і суднах додаткових (резервних) засобів пожежогасіння (без великих матеріальних і технічних витрат), що дало б змогу удосконалити технології пожежогасіння герметичних приміщень кораблів і суден. Відомо, що зниження тиску газового середовища сприяє зниженню інтенсивності пожежі. Однак детально процес горіння та його припинення за таких умов вивчено недостатньо. У зв'язку з вищевикладеним, у рамках дисертаційної роботи необхідно було теоретично й експериментально дослідити умови горіння пального та його затухання в умовах розрідження газового середовища, а також можливість використання корабельних засобів для припинення горіння методом вакуумування.

Аналіз статистичних даних свідчить, що для надводних кораблів і суден найбільш типовим і небезпечним видом пожежі є горіння палив та мастильних матеріалів в енергетичних відсіках, тому було прийнято рішення теоретично й експериментально досліджувати вплив зниження тиску газового середовища на горіння саме рідкого вуглеводневого пального. Дослідженню фізики процесів горіння рідин, а також їх математичному моделюванню присвячено багато робіт, які проводилися у ВНДІПО МВС СРСР та вченими інших країн. Великий внесок у дослідження процесів розвитку пожеж у герметичних приміщеннях та математичне моделювання процесів тепломасообміну, що при цьому відбуваються, внесли фахівці ВНДІПО ВМС СРСР (Попов Б. Г., Ніколаєв В. М., Меліхов О. С., Горшков В. І., Цуприк В.П., Абдурагімов І.М., Ківако Л.О., Волков М.П., Востриков В.І. та ін.), і вчені наукових лабораторій ВМФ СРСР (Нікітін Є.В., Радзієвський С.І., Герда В.М.). Досліджували також питання можливості придушення дифузійного полум'я полімерних матеріалів зниженням тиску газового середовища (Лябін Я.М., Кульпін В.Г., Бахарев В.М). Однак при цьому акцент робили на швидкості скидання тиску. Проведені дослідження в основному були зосереджені на горінні матеріалів за підвищеного тиску і підвищеної концентрації кисню у приміщенні. Процесом горіння за зниженого тиску не приділялось належної уваги.

На підставі робіт іноземного члена Національної академії наук України професора Д. Сполдінга групою вчених ВНДІПО ВМД СРСР (Горшков В. І., Гур'янова Н.М., Попов Б.Г., Федотов О.П.) було запропоновано критеріальні рівняння для розрахунку швидкості горіння рідин. На підставі цих рівнянь Горшковим В.І. та Гур'яновою Н.М запропоновано метод визначення швидкості горіння рідин, що увійшов до ГОСТ “Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения 12-1-044-89”. Запропонована ними модель пов'язує розмір вогнища пожежі з режимом горіння і швидкістю горіння рідини за нормального атмосферного тиску. При цьому вплив ступеня розрідження, температури горючої речовини та навколишнього середовища не досліджували. У роботах професора Нікітіна Є.В. отримано аналітичний вираз, що пов'язує швидкість горіння рідини з тиском навколишнього газового середовища. Однак модель розроблено для умов турбулентного режиму горіння і тиску, який дорівнює або вищий за атмосферний. Закономірності ж зміни швидкості горіння рідини в умовах ламінарного і перехідного режимів горіння і за зниженого тиску не розглядалися. Виходячи з викладеного, є актуальним і доцільним дослідження процесу горіння рідин за зниженого тиску з урахуванням аеродинамічного режиму горіння, розмірів вогнища і фізико-хімічних властивостей горючої речовини та газового середовища Доцільно також, спираючись на результати теоретичних досліджень зазначених авторів, створити математичну модель і одержати аналітичні вирази для оцінки швидкості горіння в умовах розрідження, а також інших параметрів горіння (таких як тривалість затухання, умови переходу від одного аеродинамічного режиму горіння до іншого тощо).

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ описані теоретичні дослідження впливу розрідження на дифузійне горіння вуглеводневих рідин.

Дифузійне горіння рідини – складний фізико-хімічний процес. Він визначається переносом маси речовини під час випаровування горючої речовини і теплообміном полум'я з навколишнім середовищем, рідиною, стінкою резервуара. Опис процесу дифузійного горіння диференційними рівняннями з заданими граничними умовами – досить складна задача. Для аналізу такої системи доцільно скористатися теорією подібності. Дотримуючись підходів Горшкова В.І., Гур'янової Н.М., Попова Б.Г. та ін., можна показати, що безрозмірна швидкість горіння визначається таким виразом:

М=F (B, Ga, S), (1)

де M= md/ - безрозмірна швидкість горіння; - число Галілея, що характеризує режим горіння вуглеводневої рідини; S = r (M0/Mf) – стехіометричне співвідношення; В - параметр масопереносу; F - деяка функція, вид якої визначається режимом горіння рідини; m - масова швидкість горіння, кг·м-2·c-1; d - характерний розмір (діаметр, сторона квадрата) поверхні розлитої рідини, м; - динамічна в'язкість пари вуглеводневої рідини за температури кипіння, Н·с·м-2; - кінематична в'язкість пари вуглеводневої рідини за температури кипіння, м2·с-1; g - прискорення вільного падіння, м·с-2; r - кількість кілограмів кисню, необхідного для згоряння одного кілограма горючої речовини; M0 - молекулярна маса кисню, кг·моль-1; Mf - молекулярна маса вуглеводневої рідини, кг·моль-1.

Параметр масопереносу Сполдінга за умови дифузійного горіння визначається виразом:

,

де x1 - масова частка кисню в навколишньому середовищі, кг/кг; Q - нижча теплота згоряння вуглеводневої рідини, кДж·кг-1; С – середня ізобарна теплоємність газоподібних продуктів згоряння, кДж·кг-1·К-1; Се - теплоємність рідини, кДж·кг-1·К-1; Tk, - температура кипіння рідини, К; Тж – температура рідини, К; Tm температура навколишнього середовища, К; H- теплота пароутворення рідини за температури кипіння, кДж·кг-1.

Співвідношення (1) може бути використане також для опису механізму дифузійного горіння в умовах розрідження. Тоді за абсолютного тиску Р/ отримаємо:

M/ = F/( B/, Ga/, S/ ),

або .

Оскільки r – кількість кілограмів кисню, необхідного для згоряння одного кілограма горючої речовини, M0 та Mf - відповідно молекулярні маси кисню й вуглеводневої рідини, постійні для визначеної речовини, то стехіометричне співвідношення S = r (M0/Mf) не залежить від тиску.

Режим дифузійного горіння вуглеводневої рідини визначається числом Галілея. Аналіз залежності температури кипіння і кінематичної в'язкості пари рідини від тиску дає вираз

, (2)

де Р – тиск, Па.

За зміною числа Галілея можна оцінювати збільшення турбулентності полум'я зі зменшенням тиску.

У підрозділі 2.4 наведено аналіз залежності параметра масопереносу від тиску в діапазоні значень тиску від атмосферного до 13,3 кПа. (3)

де - коефіцієнт повноти згоряння пального; D = 0,3883 – емпіричний коефіцієнт для діапазону значень тиску від 1,01325105 Па до 1,33104 Па; Ts – температура кипіння рідини за тиску P0 = 1,01325105 Па, К; Р – тиск, Па; n = 0.082 –емпіричний коефіцієнт для діапазону тиску від 1,01325105 Па до 1,33104 Па; Tm – температура навколишнього середовища, К; Hs – теплота пароутворення рідини за температури кипіння і тиску 1,01325105 Па, кДж·кг-1; Ткр – критична температура рідини, К; С0 – теплоємкість рідини за температури 0 ос, кДж·кг-1·К-1; Тж – температура рідини, К.

Зроблено аналіз впливу зниження тиску на динамічну в'язкість парів горючих рідин. Для різних вуглеводневих рідин вигляд залежності однаковий:

. (4)

Система рівнянь для розрахунку залежності швидкості горіння для різних розмірів вогнища пожежі від ступеня розрідження в діапазоні значень тиску від атмосферного до 13,3 кПа:

за умови :; (5)

за умови 3.1012 і :;

за умови 3.1012 і 3.1012: ;

за умовиі:;

за умови і : ;

за умови і : ;

за умови і : .

За допомогою системи рівнянь (5) і рівнянь (2), (3), (4) можна визначити аеродинамічний режим горіння, параметри теплообміну між полум'ям, дзеркалом рідини і газовим середовищем, зміну масової швидкості горіння вуглеводневих рідин у діапазоні значень тиску від атмосферного до 13,3 кПа.

Сукупність розв’язків залежності швидкості горіння від розмірів вогнища пожежі й величини тиску може бути представлена поверхнею на тривимірному графіку (рис.1).

Розроблена математична модель, що описує процес дифузійного горіння горючих рідин та умови його припинення за зниженого тиску. При цьому отримано аналітичні залежності швидкості горіння від аеродинамічного режиму горіння, фізико-хімічних властивостей рідини, розмірів вогнища пожежі та значення абсолютного тиску (в діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа). Уточнено кількісні співвідношення параметрів теплообміну між дзеркалом рідини, полум'ям і навколишнім середовищем, що дозволяють уточнити тепловий механізм горіння за зниженого тиску.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ наводиться опис експериментальної частини досліджень процесів горіння і затухання полум’я різних вуглеводневих рідин за зниженого тиску.

Для перевірки адекватності теоретичних моделей і уточнення умов їх застосування було проведено дослідження у двох експериментальних установках: герметичної ємкості (рис.2) – об’ємом 0,1 м3 і модельному відсіку (рис.3) –об’ємом 39,6 м3.

В ході досліджень у герметичної ємкості для палива ТС-1 (ГОСТ 10227-86) і дизельного палива Л (ГОСТ 305-82) було визначено: середньооб’ємну температуру газового середовища; температуру полум'я; зміну маси палива від початку горіння до його припинення; граничну кінцеву концентрацію кисню; тривалість горіння; висоту і характер полум'я за різних значень тиску в діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа.

Для перевірки теоретичної залежності швидкості горіння від розмірів вогнища пожежі та об’єму відсіку проведено експерименти в герметичному відсіку №2 (рис.3) для палива ТС-1 і дизельного палива Л. У ході експерименту визначали: середньооб’ємну температуру газового середовища, температуру полум'я, граничну кінцеву концентрацію кисню, тривалість горіння за різних значень тиску (від атмосферного до 13,3 кПа).

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ наведено аналіз результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Згідно з метою експерименту вирішені такі задачі. В діапазоні тиску від атмосферного до 13,3 кПа для палива ТС-1 (ГОСТ 10227-86) і дизельного палива марки Л (ГОСТ 305-82) отримано такі аналітичні вирази:

1. Коефіцієнт повноти згоряння від тиску (рис. 4). Коефіцієнт повноти згоряння є найбільш значимим фактором, що впливає на швидкість дифузійного горіння в герметичних приміщеннях.

2. Граничної концентрації кисню х1гран у газовому середовищі герметичного відсіку, нижче за яку горіння даного матеріалу не підтримується, від величини тиску (рис.5).

Зі зниженням тиску гранична концентрація кисню зростає, тобто крім того, що при цьому зменшується не лише маса окисника у приміщенні, але й та частка кисню в газовому середовищі, що може взяти участь у горінні.

3. Для зазначених вище горючих рідин визначено залежності відносного інтегрального тепловиділення вогнища пожежі в герметичному відсіку до моменту затухання, від величини значень початкового тиску в діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа.

З наведених залежностей (рис. 6) видно, що в міру зниження тиску інтегральне тепловиділення вогнища зменшується, чим підтверджується можливість використання вакуумування для зниження теплової інтенсивності пожежі. Оскільки використання корабельних дизельних установок забезпечує зниження тиску у відсіку до 67-69 кПа, то є можливість зменшити інтегральне тепловиділення в разі горіння дизельного палива Л приблизно удвічі, а для палива ТС-1 в 1,5 рази у порівнянні з тепловиділенням під час горіння за нормального атмосферного тиску.

Тривалість горіння складним образом залежить від початкових параметрів газового середовища і рідини, її фізико-хімічних властивостей і тиску газового середовища.

4. С метою перевірки адекватності теоретичних моделей для зазначених вище горючих рідин експериментально та теоретично було визначено залежність швидкості горіння від тиску в герметичному відсіку. Відносну швидкість горіння визначали як відношення швидкості горіння в герметичному просторі за певного тиску в діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа до швидкості горіння в цьому ж просторі за нормального атмосферного тиску. Швидкість горіння в кожному досліді визначали як середнє значення за проміжок часу від моменту запалення до моменту затухання. Порівняння теоретичної залежності швидкості горіння від тиску для палива ТС-1 та дизельного палива Л, з отриманими в експерименті показане на рис. 7 та рис. 8.

Визначити вплив ефекту кипіння рідини на процес дифузійного горіння можна, порівнявши два граничні випадки, коли початкова температура рідини близька до температури кипіння і коли у процесі зниження тиску температура рідини залишається нижчою за температуру кипіння. Теоретичне та експериментальні дослідження показують, що кипіння рідини істотно не впливає на швидкість горіння в умовах розрідження, оскільки зі зменшенням тиску зменшується коефіцієнт повноти горіння горючої речовини.

Теоретично визначено й експериментально підтверджено аналітичні залежності відносної тривалості дифузійного горіння вуглеводневих рідин у герметичному об’ємі від початкових параметрів газового середовища і рідини, величини значень тиску (у діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа).

Теоретично визначені й експериментально підтверджені умови припинення дифузійного горіння вуглеводневих рідин за зниженого тиску.

У П'ЯТОМУ РОЗДІЛІ наведено обґрунтування ефективності способу зниження інтенсивності пожеж у герметичних приміщеннях методом зниження тиску працюючими енергетичними установками, а також запропоновано технічні рекомендації з упровадження такого способу.

Ефективність пропонованого способу зниження інтенсивності пожеж полягає в наступному:

1. Знижується тепловиділення з вогнища пожежі в аварійному приміщенні, при цьому зменшується вплив підвищеної температури на людей і устаткування.

2. За наявності зниженого тиску в аварійному відсіку є можливість спрямувати повітряні потоки таким чином, щоб на шляхах евакуації забезпечити найбільш сприятливі умови ( щодо складу газового середовища і температури).

3. Зниження тиску в аварійному приміщенні перешкоджає поширенню димових газів у сусідні приміщення, що дає змогу ефективно організувати рубежі оборони і роботу аварійних партій.

4. Запропонований спосіб не потребує додаткових приладів для зниження тиску в аварійних приміщеннях.

Цей спосіб найкраще реалізується у машинних відділеннях кораблів, суден та енергетичних відсіках підводних човнів. Двигуни корабельної енергетичної установки можна використовувати і для ліквідації наслідків пожежі.

На рис.9 показано технічне рішення щодо зниження тиску в аварійному приміщенні за допомогою корабельної енергетичної установки.

ВИСНОВКИ

Дисертаційну роботу присвячено удосконалюванню технології пожежогасіння в герметичних приміщеннях кораблів і суден шляхом використання можливості енергетичних установок вакуумувать аварійне приміщення. Основні наукові і практичні результати роботи такі:

1. Проведено теоретичні дослідження дифузійного горіння рідин і умов його припинення за зниженого тиску. Розроблено математичну модель, що описує теплообмін між дзеркалом горючої рідини, полум'ям і навколишнім середовищем у процесі дифузійного горіння і погасання рідин за зниженого тиску. При цьому отримано аналітичні залежності швидкості вигоряння від параметрів аеродинамічного режиму горіння, фізико-хімічних властивостей рідини, розмірів вогнища пожежі й тиску (у діапазоні від нормального атмосферного тиску до 13,3 кПа). Уточнено також кількісні умови переходу зі зміною тиску від одного аеродинамічного режиму горіння (турбулентного, ламінарного, перехідного) до іншого. Отримана модель і аналітичні залежності можуть бути використані при моделюванні пожеж дифузійних палив за зниженого тиску, розробці методик розрахунку збитку від пожежі, а також при проектуванні елементів конструктивного протипожежного захисту газощільних приміщень.

2. Проведені експериментальні дослідження підтвердили адекватність математичної моделі дифузійного горіння рідин за зниженого тиску описуваним процесам. Теоретичні й експериментальні дослідження також показують, що для швидкості дифузійного горіння найбільш значимим фактором є величина коефіцієнту повноти згоряння палива. При зменшенні тиску цей коефіцієнт значно зменшується, знижуючи кількість тепла, що виділяється з одиницею маси палива, що випарувалося. Зокрема експеримент показує, що коефіцієнт повноти згоряння палива ТС-1 і Л при тиску 50 кПа зменшується в 2,3 і 2,8 рази відповідно в порівнянні з їхніми значеннями за атмосферного тиску. Теоретично визначені й експериментально підтверджені умови припинення дифузійного горіння вуглеводневих рідин за зниженого тиску. Перше - дифузійне горіння припиняється, коли ентальпія газу в об’ємі стає рівною ентальпії газу біля поверхні рідини. Друга умова - досягнення концентрації кисню в об’ємі приміщення граничного значення за даного тиску. Зі зниженням тиску гранична концентрація кисню зростає, тобто крім того, що при цьому зменшується не лише маса окисника у приміщенні, але й та частка кисню в газовому середовищі, що може взяти участь у горінні. Так наприклад за атмосферного тиску горіння палив Тс-1 і Л буде відбуватися до об'ємної концентрації кисню в газовому середовищі приміщення відповідно 15,9% і 17,62%, а за тиску 40,5 кПа до 19,2% і 20,25%.

3. Теоретично визначено й експериментально підтверджено аналітичні залежності відносної тривалості дифузійного горіння вуглеводневих рідин у герметичному об’ємі від початкових параметрів газового середовища і рідини, величини значень тиску (у діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа). Зміна тривалості горіння при зниженні тиску визначається зростанням граничної концентрації кисню і зниженням масової швидкості горіння. Тривалість горіння складним образом залежить від початкових параметрів газового середовища і рідини, її фізико-хімічних властивостей і тиску газового середовища. Так наприклад, тривалість горіння дизельного палива Л при температурі навколишнього середовища 293 К буде зменшуватися зі зниженням тиску до мінімуму при 55-71 кПа, а потім збільшуватися, прагнучи до тривалості, необхідної для випару палива без горіння. Для палива ТС-1 тривалість горіння буде збільшуватися при температурі газового середовища близькій до критичної температури рідини і знижуватися, якщо температура буде близька до нормальних умов. Отримані аналітичні залежності дозволяють оцінювати час до гасіння чи загасання пожежі при різних початкових умовах.

4. Досліджено вплив ефекту скипання на процес дифузійного горіння рідини. Виявлено, що оскільки зі зниженням тиску на процес дифузійного горіння здебільшого впливає дефіцит окисника і зменшення коефіцієнту повноти згоряння, то кипіння рідини істотно не впливає на інтенсивність зниження швидкості вигоряння.

5. Оцінено вплив ступеня вакуумування на інтенсивність тепловиділення й отримані аналітичні залежності інтегрального тепловиділення від дифузійного полум'я для палив ТС-1 і Л. При тиску 38 кПа інтегральне тепловиділення від палива ТС-1 знижується в 3 рази й у 7 разів для дизельного палива Л. Зменшення інтегрального тепловиділення свідчить про ефективність зниження інтенсивності пожежі методом вакуумування.

6. Оцінено технічні можливості корабельної енергетичної установки щодо створення необхідного розрідження в аварійному приміщенні. Проведені дослідження показали, що корабельні дизелі можуть знижувати тиск до 67-69 кПа. При цьому тиску інтегральне тепловиділення від палива ТС-1 знижується в 1,5 рази й у 2 рази для дизельного палива Л.

7. Запропоновано технічні рішення, з реалізації, які забезпечують створення найбільш сприятливих умов ( щодо складу газового середовища і температури) для покидання екіпажем аварійних приміщень. Розроблено також пропозиції, захищені авторським посвідченням, що забезпечують підвищення живучості корабля, шляхом зниження часу видалення диму після пожежі з аварійного приміщення працюючою енергетичною установкою.

8. Доведено ефективність зниження інтенсивності корабельних пожеж методом вакуумування енергетичними установками. При застосуванні запропонованого способу знижуються небезпечні фактори: знижується температура газового середовища в аварійному приміщенні, забезпечується очищення газового середовища аварійних виходів із приміщень, що захищаються, від токсичних продуктів горіння і термічного розкладу; надійно локалізуються димові гази в межах аварійного приміщення. Отримані результати дозволили обґрунтувати доповнення до вимог проектування кораблів. Відділ озброєння і судноремонту військово-морських сил України доповнив вимоги до проектованих кораблів положеннями про необхідність проектування енергетичних установок з можливістю вакуумування енергетичних відсіків з метою створення більш ефективних систем об'ємного пожежогасіння і локалізації небезпечних факторів пожежі На підставі розроблених вимог, а також методик оцінки швидкості горіння, інтенсивності тепловиділення полум'я, часу до досягнення умов припинення горіння перероблена інструкція з відкриття машинного відділення після пожежі на судні розмагнічування “Балта”. Це дозволило підвищити ефективність дій аварійної партії. На підставі розроблених вимог і запропонованих технічних рішень модернізовані шахти прийому повітря і розроблені інструкції з пожежогасіння з використанням зниження тиску газового середовища в аварійних приміщеннях на фрегатах ВМС України.

Основні результати дисертаційний роботи опубліковано у таких роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Попов М.А. Зниження інтенсивності пожежі у корабельних приміщеннях методом вакуумування – Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - Пожежна безпека. Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, Київ, 2004.

Дисертаційну роботу присвячено удосконалюванню технології пожежогасіння в герметичних приміщеннях кораблів і суден шляхом використання можливості енергетичних установок вакуумувать аварійне приміщення. Розроблено та експериментально підтверджена математична модель, що описує теплообмін між дзеркалом горючої рідини, полум'ям і навколишнім середовищем у процесі дифузійного горіння і погасання рідин за зниженого тиску. Теоретично визначені й експериментально підтверджені умови припинення дифузійного горіння вуглеводневих рідин за зниженого тиску, аналітичні залежності інтегрального тепловиділення від дифузійного полум'я для палив ТС-1 і Л, аналітичні залежності відносної тривалості дифузійного горіння вуглеводневих рідин у герметичному об’ємі від початкових параметрів газового середовища і рідини, величини значень тиску (у діапазоні від атмосферного до 13,3 кПа). Досліджено вплив ефекту кипіння на процес дифузійного горіння рідини. Проведені дослідження показали, що корабельні дизелі можуть знижувати тиск до 67-69 кПа. При цьому тиску інтегральне тепловиділення від палива ТС-1 знижується в 1,5 рази й у 2 рази для дизельного палива Л.

Ключові слова: спосіб зниження інтенсивності пожеж, дифузійне горіння полум'я, метод вакуумування, енергетичні установки.

Попов М.А. Снижение интенсивности пожара в корабельном помещении методом вакуумирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – Пожарная безопасность.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии пожаротушения герметичных помещений кораблей и судов путем использования возможности энергетических установок вакуумировать аварийное помещение. Основные научные и практические результаты работы следующие:

Разработана математическая модель, описывающая теплообмен между зеркалом жидкости, пламенем и окружающей средой в процессе диффузионного горения и потухания горючих жидкостей при пониженном давлении. При этом получены аналитические зависимости скорости выгорания от аэродинамического режима горения, физико-химических свойств жидкости, размеров очага пожара и давления (в диапазоне от атмосферного до 13,3 кПа). Уточнены также количественные условия перехода от одного аэродинамического режима горения (турбулентного, ламинарного, переходного) к другому с изменением давления.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели диффузионного горения жидкостей при пониженном давлении описываемым процессам. Теоретические и экспериментальные исследования также показывают, что для скорости выгорания определяющим является величина коэффициент полноты сгорания топлива. При уменьшении давления этот коэффициент значительно уменьшается, снижая количество тепла, выделяющегося с единицей испарившегося топлива. Теоретически определены и экспериментально подтверждены условия потухания диффузионно-горящих топлив при понижении давления. Со снижением давления предельная концентрация кислорода, при которой происходит потухание топлив, повышается. Так например при атмосферном давлении горение топлив Тс-1 и Л будет происходить до объемной концентрации кислорода в газовой среде помещения соответственно 15,9% и 17,62%, а при давлении 40,5 кПа до 19,2% и 20,25%.

Теоретически определены и экспериментально подтверждены аналитические зависимости продолжительности диффузионного горения углеводородных жидкостей в герметичном объеме от начальных параметров газовой среды и жидкости и величины давления (в диапазоне от атмосферного до 13 кПа). Продолжительность горения сложным образом зависит от начальных параметров газовой среды и жидкости, ее физико-химических свойств и давления. Полученные аналитические зависимости позволяют оценивать время до тушения или потухания пожара при различных начальных условиях.

Исследовано влияние эффекта вскипания на процесс диффузионного горения жидкости. Кипение жидкости не оказывает существенного влияния на интенсивность снижения скорости выгорания.

Оценено влияние степени вакуумирования на интенсивность тепловыделения и получены аналитические зависимости интегрального тепловыделения от диффузионного пламени для топлив ТС-1 и Л. Оценены технические возможности корабельной энергетической установки по созданию необходимого пониженного давления в аварийном помещении. Проведенные исследования показали, что корабельные дизеля могут понижать давление до 67-69 кПа. При этом давлении интегральное тепловыделение от горящего топлива ТС-1 снижается в 1,5 раза и в 2 раз для дизельного топлива Л.

Доказана эффективность снижения интенсивности корабельных пожаров методом вакуумирования энергетическими установками. При применении предложенного способа снижаются опасные факторы: понижается температура среды в аварийном помещении, обеспечивается очистка аварийных выходов из защищаемых помещений от токсичных продуктов горения и термического разложения; надежно локализуются дымовые газы в пределах аварийного помещения. Полученные результаты позволили обосновать дополнение к требованиям по проектированию кораблей. Отдел вооружения и судоремонта Военно-морских Сил Украины дополнил требования к проектируемым кораблям положениями о необходимости проектирования энергетических установок с возможностью вакуумирования энергетических отсеков с целью создания более эффективных систем объемного пожаротушения и локализации опасных факторов пожара На основании разработанных требований, а та же методик оценки скорости горения, интенсивности тепловыделения пламени, времени до наступления условий прекращения горения переработана инструкция по вскрытию машинного отделения после пожара на судне размагничивания “Балта”. Это позволило повысить эффективность действий аварийной партии. На основании разработанных требований и предложенных технических решений модернизированы шахты приема воздуха и разработаны инструкции по