МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ

ТА У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БЕЗПЕКИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ

БАЛАНЮК ВОЛОДИМИР МІРЧОВИЧ

УДК 614.842, 654.924

УДОСКОНАЛЕННЯ АЕРОЗОЛЕВОЇ ВОГНЕГАСНОЇ РЕЧОВИНИ

НА ОСНОВІ СОЛЕЙ КАЛІЮ ТА ОБҐРУНТУВАННЯ

УМОВ ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ

Спеціальність 21.06.02 – пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності МНС України

Науковий керівник:

Левуш Сергій Сидорович, доктор хімічних наук, професор,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри охорони праці

Офіційні опоненти:

Пашковський Петро Семенович, доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України,

Науково-дослідний інститут гірничо-рятувальної справи та пожежної безпеки “Респіратор”, перший заступник директора

Тарахно Олена Віталіївна, кандидат технічних наук, доцент,

Університет цивільного захисту України,

начальник кафедри процесів горіння

Провідна установа:

Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України (м. Київ)

Захист відбудеться “ 28 ” лютого 2007 року о 14oo годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .874.01 у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності МНС України (79007, м. Львів, вул. Клепарівська, ).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Львівського державного університету безпеки життєдіяльності МНС України

(79007, м. Львів, вул. Клепарівська, )

Автореферат розіслано “ 27 січня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., с.н.с. В.В.Ковалишин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність вогнегасних речовин та технологій їх застосування є важливими характеристиками при виборі засобів пожежогасіння та протипожежного захисту об’єктів. Одними з найефективніших з них при гасінні об’ємним способом є автоматичні установки аерозольного пожежогасіння з генераторами аерозолевих вогнегасних речовин. У своїх корпусах такі генератори містять аерозольоутворювальну сполуку (АУС), яка зазвичай, є сумішшю окисника та твердого палива. В якості окисників у більшості випадків застосовуються KNO3, KClO4, NaNO3, NaClO4, NH4NO3 та інші, в якості палива – синтетичні смоли, каучуки, нітроцелюлоза тощо. У результаті згоряння АУС утворюються компоненти, яким притаманні інгібувальні властивості, які проявляють себе як розріджувачі, а також такі, які суттєво не впливають, або зменшують вогнегасну ефективність генерованої аерозолевої вогнегасної речовини (АВР).

Питаннями розроблення автоматичних установок аерозольного пожежогасінняАУАП), генераторів вогнегасних аерозолів (ГВА), АУС, механізму вогнегасної дії АВР, визначення ефективності і об’єктів застосування АУАП займалися Агафонов В.В., Баратов А.М., Копилов Н.П., Корольченко Д.А., Жартовський В.М., Тарахно О.В., Радченко С.О., Сізіков О.О., Колосов І.С., Антонов А.В., Тропінов О.Г., Апанович В.М. та інші, що призвело до практичного застосування відповідної номенклатури цих засобів пожежогасіння, але слід визначити, що власного виробництва АУС в Україні немає.

Більшості зразків ГВА іноземного виробництва, які імпортуються в Україну, притаманний ряд недоліків – утворення форсу полум’я при згорянні АУС, що може бути джерелом запалювання горючого середовища на захищуваному об’єкті, застосування блоків охолодження, які призводять до суттєвого зменшення вогнегасної ефективності АВР, а також відносно висока їх вартість.

Актуальним є питання створення нових рецептур АУС без перелічених недоліків, і які б забезпечили вітчизняний ринок продукцією власного виробництва з вищими показниками технічного рівня та дешевшими, ніж іноземні зразки. Це обумовлює актуальність проведення досліджень, спрямованих на розкриття процесів утворення продуктів згоряння АУС, визначення впливу виду та співвідношення їх компонентів на інгібувальну та вогнегасну ефективності АВР, обґрунтування умов застосування їх удосконалених зразків.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у рамках реалізації "Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 01 липня 2002 року № 870, за перспективним планом науково-дослідних робіт Львівського державного університету безпеки життєдіяльності МНС України, замовлених Державним департаментом пожежної безпеки МНС України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було підвищення ефективності забезпечення пожежної безпеки об’єктів з наявністю електрообладнання і можливістю виникнення на них пожеж класів А, В, С шляхом застосування удосконаленої аерозолевої вогнегасної речовини на основі солей калію та обґрунтування умов її застосування.

Для виконання поставленої мети було визначено вирішення таких задач:

- провести аналіз сучасного стану розроблення та застосування аерозольних засобів пожежогасіння та виявити шляхи їх удосконалення;

- провести теоретичні дослідження процесу генерування аерозолевої вогнегасної речовини, виявити вплив виду і співвідношення компонентів аерозольоутворювальних сполук на тепловий баланс реакцій їх горіння та склад продуктів їх згоряння;

- розробити лабораторну дослідницьку установку, провести експериментальні дослідження впливу виду і співвідношень горючих компонентів, окисників, неорганічних солей-інгібіторів та речовин-газифікаторів на вогнегасну ефективність аерозолевих вогнегасних речовин, генерованих з аерозольоутворювальних сполук, рецептури яких визначено розрахунками;

- обґрунтувати рецептуру аерозольоутворювальної сполуки, з якої генерується аерозолева вогнегасна речовина з більшою вогнегасною ефективністю, ніж відомі зразки;

- визначити інгібувальні властивості, вогнегасну ефективність та особливості процесу взаємодії аерозолевих вогнегасних речовин на основі солей калію з полум’ям;

- розробити спосіб, відповідну документацію і виготовити дослідні партії аерозольоутворювальної сполуки, визначеної за результатами досліджень, та генераторів аерозолевої вогнегасної речовини з її застосуванням, а також визначити їх вогнегасну ефективність в умовах, наближених до реальних стосовно виникнення, розвитку та припинення горіння у приміщенні захищуваного об’єкта;

- розробити відповідні документи, які обумовлюють визначені умови застосування аерозолевої вогнегасної речовини в системах протипожежного захисту конкретного об’єкта з наявністю електрообладнання і можливістю виникнення на ньому пожеж класів А, В, С та їх гасіння об’ємним способом.

Об’єктом досліджень є процеси генерування аерозолевих вогнегасних речовин з аерозольоутворювальних сполук та процеси їх взаємодії з полум’ям.

Предметом дослідження є аерозолеві вогнегасні речовини, аерозольоутворювальні сполуки, ефективність їх застосування при гасінні об’ємним способом.

Методи дослідження. Під час визначення шляхів підвищення ефективності аерозолевих вогнегасних речовин та формулювання мети і задач досліджень застосовано аналіз літературних джерел. Дослідження процесів генерування аерозолевих вогнегасних речовин проводились термохімічними розрахунками. Вогнегасну ефективність аерозолевих вогнегасних речовин за їх мінімальними вогнегасними концентраціями визначали як на розробленій установці, так і на метрологічно атестованій стандартній, а також у випробувальному приміщенні об’ємом 64,8 м3 з наявністю макетних вогнищ класів А та В. Інгібувальну властивість аерозолевих вогнегасних речовин та змінення температури полум’я під час їх взаємодії визначали методом оптичної спектроскопії. При розробленні методики визначення мінімальних вогнегасних концентрацій аерозолевих вогнегасних речовин застосовано метод газової хроматографії визначення вмісту кисню у газовому середовищі. Оптимізацію рецептури аерозольоутворювальної сполуки проводили із застосуванням кореляційного аналізу. Відносні похибки результатів експериментальних досліджень не перевищували значень ± 5%.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено удосконалену рецептуру аерозольоутворювальної сполуки з вмістом нітрату та перхлорату калію, сахарози, а також диціандіаміду у співвідношенні 57,0 ,5 ,5 ,0 % мас., з якої генерується аерозолева вогнегасна речовина, ефективніша у 1,9-2,9 разів, ніж відомий серійний зразок "Dynamit Nobel – СОЮЗ";

- вперше встановлено, що при взаємодії аерозолевої вогнегасної речовини, згенерованої з удосконаленої рецептури аерозольоутворювальної сполуки, з полум’ями парів горючих речовин (бензин А-80, нефрас, ацетон, етанол, н-гептан) їх температури підвищуються на 65 – 133 С, це пояснено хімічними реакціями рекомбінації активних радикалів полум’я, відповідальних за розгалуження ланцюгової реакції горіння;

- вперше встановлено ряд ефективності щодо інгібувальних властивостей аерозолевих вогнегасних речовин, згенерованих при згорянні аерозольоутворювальних сполук на основі солей калію, який у напрямку підвищення має вигляд: K2SO4 < KClO4 < KCl < K2CrO4 < порох мисливський (KNO3) < АУС виробництва “Dynamit Nobel - СОЮЗ” < АУС БАГР-1. Найбільшу ефективність розробленого зразка БАГР -1 пояснено синергізмом бінарної суміші нітрату та перхлорату калію – компонентів розробленого зразка "БАГР-1".

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробленні економічно привабливої аерозольоутворювальної сполуки, при згорянні якої утворюється у 1,9-2,9 рази більш ефективна аерозолева вогнегасна речовина порівняно з аналогічним серійним зразком іноземного виробництва, а також генераторів з її застосуванням, що є підґрунтям впровадження в Україні АУАП з використанням в них складових вітчизняного виробництва.

Розроблено відповідні документи, виготовлено дослідно-промислові партії розробленої за результатами досліджень аерозольоутворювальної сполуки і генераторів аерозолевої вогнегасної речовини, які застосовано в АУАП на об’єкті підприємства "Поліпласт" м. Львів з захищуваним приміщенням об’ємом 550 м3 і можливістю виникнення в ньому пожеж класів А, В, С та електрообладнання.

Розроблену установку та методику визначення мінімальної вогнегасної концентрації аерозолевої вогнегасної речовини "методом камери" впроваджено у навчальний процес Львівського державного університету безпеки життєдіяльності і використовують при викладанні дисципліни "Теорія розвитку та припинення горіння".

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що складають зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. Автор також провів аналіз вітчизняних та закордонних літературних джерел, виконав експериментальну частину та обробку даних експерименту, сформулював основні висновки роботи. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [1] – проведення аналізу літературних джерел та теоретичного обґрунтування шляхів удосконалення АУС, [2, 5] – проведення аналізу літературних джерел, формулювання висновків, [3] – розроблення дослідної установки та методики, виготовлення та дослідження вогнегасної ефективності експериментальних зразків аерозольоутворювальних сполук, опрацювання результатів експериментів, [4] – проведення аналізу літературних джерел, розрахунки ефективних аерозольоутворювальних сполук, [7, 10, 11, 14] – виготовлення експериментальних зразків аерозольоутворювальних сполук, проведення експериментальних досліджень, оброблення їх результатів, формулювання висновків, [12, 13] – проведення аналізу літературних джерел, обґрунтування результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 5 наукових конференціях: на 5 Міжнародній конференції "Fireco 2003" Fire Protection (Тренчин (Словакія), 2003), III науково-технічній конференції "Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості" (Львів, 2004), міжнародній конференції "Pozarni ochrana 2005" (Острава (Чехія), 2005), VII всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників “Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан проблеми перспективи” (Київ, 2005) та VIII всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників "Проблеми зниження ризику виникнення надзвичайних ситуацій в Україні" (Київ, 2006).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових статей у виданнях включених до переліку ВАК України як фахові, а також у матеріалах 5 доповідей на наукових конференціях, отримано деклараційний патент України на корисну модель і патент України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел і додатків. Матеріали дисертації викладено на 172 сторінках друкованого тексту, що містить 30 таблиць, 17 рисунків, 4 додатки та 130 посилань на використану літературу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та задачі досліджень, сформульовано наукову новизну роботи та практичне значення отриманих результатів. Описано структуру та короткий зміст дисертації. Наведено відомості про апробацію та публікування основних результатів досліджень.

У першому розділі наведено аналіз науково-технічної літератури щодо засобів пожежогасіння. Ефективність вогнегасних речовин та технологій їх застосування є важливим аспектом при їх виборі для гасіння та протипожежного захисту об’єктів. Одними з найефективніших є установки аерозольного пожежогасіння, що складаються з генераторів вогнегасного аерозолю, що містять у своїх корпусах АУС, які зазвичай, є сумішшю окисника та твердого палива. В якості окисників у більшості випадків застосовуються KNO3, KClO4, NaNO3, NaClO4, NH4NO3 та інші, в якості палива – каучуки, полімери, смоли тощо. У результаті згоряння АУС утворюються компоненти (К2СО3, КСl, CO2, KOH, KHCO3 тощо), яким притаманні інгібувальні властивості, які проявляють себе як розріджувачі (СО2, Н2О (пара)), а також продукти, які суттєво не впливають, або зменшують вогнегасну ефективність (СО, С, NxOy, KNO2, продукти розпаду полімерів тощо). При згорянні переважної більшості АУС після їх запалювання будь-яким чином виділяється значна кількість теплової енергії. Схематично процес генерування аерозолевої вогнегасної речовини можна представити таким чином:

АУС (окисник + пальне + додаток) > аерозолева вогнегасна речовина як система газ – тверда речовина (інгібітори горіння + розріджувачі + компоненти, які не впливають або знижують ефективність гасіння) + тепловиділення (форс полум’я).

Сформульовано можливі шляхи підвищення ефективності АУС та АВР, згенерованих з них, шляхом зниження температури форсу полум’я від їх згоряння, утворення якомога меншої кількості компонентів, які негативно впливають на вогнегасну здатність, або не призводять до її підвищення, а також підвищення об’ємної частки у газовій фазі газів розріджувачів.

На цих підставах сформульовано мету і задачі досліджень.

У другому розділі наведено теоретичні розрахунки теплових ефектів реакцій згоряння АУС з стехіометричним співвідношенням палив (ідітол, лактоза, вуглець) та окисників (нітрат та перхлорат калію). Результати розрахунків показали, що кількості тепла, що виділяється при згорянні АУС при стехіометричному співвідношенні палив і нітрату калію не вистачає для забезпечення повного розкладу нітрату калію до оксиду калію.

Термохімічними розрахунками показано, що відхилення від стехіометричного співвідношення у сторону зменшення масової частки окисника відносно палива призводить до збільшення об’ємної частки газоподібних продуктів, генерованих при згорянні АУС.

Компенсувати втрати тепла на розклад KNO3 можна збільшенням масової частки палива за умови, що його надлишок буде доокислятись киснем повітря, або введенням до рецептури АУС поряд з KNO3 більш теплогенерувального окисника – KClO4. Розрахунок показав, що теплові ефекти реакції горіння АУС за участю О2 та KClO4 практично збігаються. На підставі цього складено співвідношення рецептур, що забезпечують повний розклад нітрату калію, і розраховано масові концентрації твердих продуктів горіння та об’єми газів, які теоретично можуть утворитись при згорянні таких АУС (табл. 1). 

Таблиця 1

Розрахунковий склад компонентів АУС з повним розкладом KNO3

Вміст компонентів АУС, % мас. | Вид, маса та об’єм продуктів згоряння 1 г АУС | Паливо | Окисники | Ідітол | Лактоза | Вуглець | KNO3 | KClO4 | Маса твердої фази, г | Об’єм газової фази, л | K2O | KCl | 17,0 | 0,0 | 0,0 | 83,0 | 0,0 | 0,324 | 0,0 | 0,460 | 16,0 | 0,0 | 0,0 | 69,0 | 15,0 | 0,321 | 0,087 | 0,386 | 0,0 | 32 | 0,0 | 68 | 0,0 | 0,318 | 0,0 | 0,546 | 0,0 | 27,6 | 0,0 | 60,0 | 12,04 | 0,279 | 0,025 | 0,479 | 0,0 | 0,0 | 16,0 | 84,0 | 0,0 | 0,391 | 0,0 | 0,391 | 0,0 | 0,0 | 13,0 | 70,0 | 17,0 | 0,325 | 0,090 | 0,325 |

З урахуванням викладеного обґрунтовано перспективність розроблення удосконалених АУС з використанням KClO4 та KNO3 у якості компонентів-окисників та вуглеводів як палива.

У третьому розділі наведено результати досліджень процесів взаємодії з полум’ям аерозолевих вогнегасних речовин, одержаних із АУС, основні компоненти яких обґрунтовано у другому розділі. Вогнегасну ефективність АВР визначали на розробленій дослідницькій установці, схему якої наведено на рис.1. Камера для проведення лабораторних дослідів має об’єм 11,7 л і виготовлена у формі паралелепіпеда із листової сталі (29,6Ч20Ч19,8см) товщиною д=1 мм. Одна сторона камери виготовлена із силікатного скла, яке приклеєне до каркасу камери.

Рис. 1. Схема установки для визначення мінімальних вогнегасних конценрацій АВР

1- камера спалювання, 2- пристрій для підпалювання АУС, 3 - чашка для наважки АУС,
4- газовий пальник, 5- реометр, 6-газовий вентиль,7-акумулятор

Зразки АУС з вмістом ідітолу готували змішуванням попередньо розтертих у фарфоровій ступці наважок компонентів. З одержаної маси формували циліндрики і витримували їх до повного затвердіння. Зразки АУС з вуглецем, лактозою або сахарозою готували пресуванням попередньо розтертих сумішей наважок компонентів.

Визначення МВК методом "камери" здійснювали у такій послідовності:

У попередньо провентильовану камеру спалювання 1 до чашки 3 поміщали наважку АУС і підпалювали її пристроєм 2. Через проміжок часу 10-12с після згоряння АУС через боковий отвір камери вносили запалений метановий пальник з витратою метану 0,125 л/хв., яку регулювали вентилем 6 та визначали реометром 5. Фіксували тривалість горіння метанового пальника у камері. Мінімальну вогнегасну концентрацію АУС розраховували за формулою:

•1000, г/м3 , (1)

де M min – мінімальна маса наважки АУС, г, за якої проміжок часу горіння метанового пальника, внесеного до камери з наявністю згенерованого при згорянні АУС, АВР буде меншим за 2 с;

Vk – об’єм камери спалювання, м3.

Для більш наочної порівняльної оцінки ефективності різних АУС нами введено безрозмірну величину Е – умовну ефективність, яка відображає взаємозв’язок величини Св – ефективності АВР і ступеня перетворення АУС – К. Ступінь перетворення АУС К (конверсія) визначали як відсоткове відношення маси утвореного з АУС АВР до маси АУС за формулою:

, (2)

де K – коефіцієнт конверсії АУС %;

Мm – маса АУС, г;

Мз – маса залишку АУС після її згоряння, г.

Значення Св – мінімальної вогнегасної концентрації АВР, згенерованої з АУС, визначається за формулою:

, г/м3 (3)

де Мm – маса АУС, г;

Мз – маса залишку АУС після її згоряння, г;

V – об’єм випробувальної камери, м3, в якій визначається вогнегасна ефективність АВР;

Умовна ефективність АУС визначається за формулою:

, (4)

де Мm – маса АУС, г;

К – коефіцієнт конверсії АУС.

Для пошуку ефективних АУС проведено експериментальне дослідження впливу співвідношень компонентів (нітрату та перхлорату калію, ідітолу, сахарози та епоксидно-діанової смоли) на вогнегасну ефективність АВР згенерованих із них. Результати цих експериментів наведено на рис. 2.

З графіка видно, що діапазон ефективної дії KClO4 для досліджуваних АУС проявляється у межах 10-20 % мас. З відхиленням від цього діапазону масової частки KClO4 в АУС, ступінь перетворення К зменшується, а також зменшується ефективність АУС (Мm) та АВР (Св). При зміненні горючого компонента в АУС (ідітол, ЕДС) Св та Мm зростають відповідно до 14,8 г/м3, 17,5 г/м3 (ідітол) та до 17,2 г/м3, 23,0 г/м3 (ЕДС), для сахарози ці значення становлять відповідно 9,8 г/м3 та 10,0 г/м3. Цей факт свідчить про те, що KClO4 відіграє не тільки роль компонента, який підвищує ступінь перетворення АУС в АВР, але сприяє підвищенню її ефективності завдяки ефектові синергізму.

В наступній серії дослідів визначали вплив концентрації палива при сталому співвідношенні KNO3 : KClO4, для ЕДС, ідітолу, сахарози. Залежність умовної ефективності АУС від виду і співвідношення палива та окисників, а також коефіцієнта її конверсії наведено на рис.3. При збільшенні масової частки палива в АУС понад 30-40 % мас. знижується ефективність усіх зразків АУС через потрапляння в аерозоль продуктів недопалу палива, зокрема, його осколків та СО, які не здатні сприяти формуванню ефективних вогнегасних частинок аерозолевої вогнегасної речовини. Високу ефективність АУС із застосуванням сахарози порівняно з іншими горючими можна пояснити більш повним ступенем її згоряння.

Рис.2. Залежність умовної ефективності АУС та АВР від співвідношення окисників
KNO3 і KClO4 в складі АУС на основі сахарози (I) – 30 % мас.,
ідітолу (I I) – 20 % мас., ЕДС( I I I) – 20 % мас.

Рис.3. Залежність умовної ефективності АВР на базі сахарози (I), ЕДС (II), ідітолу (III) від співвідношення паливо : окисник при масовому співвідношенні окисників KNO3 : KClO4 , % мас.:
I – 85,71 : 14,28, II–56,25 : 43,75, III–75 : 15.

Аналіз отриманих результатів з визначення вогнегасної ефективності АВР, утворених при згорянні експериментальних зразків АУС, рецептури яких обґрунтовані у другому розділі, показує, що на вогнегасну ефективність аерозолів суттєво впливає хімічна природа палива у рецептурі АУС. Зразки АУС, які містять одночасно KNO3 і KClO4, проявляють вищу вогнегасну ефективність, ніж зразки, що містять тільки KNO3. Найвищу ефективність проявили зразки з вмістом KNO3 і KClO4 у якості окисників та сахарози як палива (табл. 2). Зведені результати експериментального визначення вогнегасної ефективності АВР, згенерованих при згорянні зразків АУС, наведено у таблиці 2.

Таблиця 2

Зведені результати визначення методом "камери" вогнегасної ефективності АВР, утворених при згорянні експериментальних зразків АУС

Вміст компонентів АУС, % мас. | Мінімальна вогнегасна концентрація, г/м3 | Паливо | Окисники | Ідітол | Лактоза | Вуглець | Сахароза | KNO3 | KClO4 | 20,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 80,0 | 0,0 | 22,6 | 0,0 | 30,0 | 0 | 0,0 | 70,0 | 0,0 | 18,2 | 0,0 | 0,0 | 20,0 | 0,0 | 80,0 | 0,0 | 30,2 | 15,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 70,0 | 15,0 | 17,8 | 0,0 | 28,0 | 0,0 | 0,0 | 60,0 | 12,0 | 11,2 | 0,0 | 0,0 | 13,0 | 0,0 | 70,0 | 17,0 | 23,4 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 30,0 | 70,0 | 0,0 | 14,4 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 30,0 | 60,0 | 10,0 | 10,2 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 30,0 | 55,0 | 15,0 | 10,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 30,0 | 40,0 | 30,0 | 11,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 30,0 | 20,0 | 50,0 | 17,4 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 30,0 | 70,0 | 0,0 | 16,7 |

Аналіз результатів наведених у таблиці свідчить про доцільність такої базової рецептури АУС: нітрат та перхлорат калію та сахароза у співвідношенні 6:1:3 % мас. відповідно.

З метою підтвердження правильності висунутих теоретичних передбачень та експериментальних досліджень було математично встановлено оптимальне співвідношення компонентів АУС, яке підтвердило отримане співвідношення. Для моделювання процедури оптимізації складу суміші у відповідності до удосконалення параметрів АУС використовували методи теорії ймовірностей та математичної статистики. Розроблено алгоритм для оптимізації рецептури у відповідності до вдосконалення параметрів АУС. Параметри АУС (зокрема, вогнегасну концентрацію) приведено до безрозмірних значень. Для порівняння різних складів АУС використано значення коефіцієнтів кореляції для концентрацій. Алгоритм визначення екстремального значення вогнегасної концентрації (Мm) представляємо у вигляді лінійної системи рівнянь, яка зв’язує Мm з параметрами суміші А, В, С.

Мm = x1A + x2В + x3С, (5)

де x1, x2, x3 – коефіцієнти пропорційності. Другий етап алгоритму полягає в тому, що x1, x2, x3 вважаємо нелінійними і таким чином вводимо нові величини

yі xi = xio + abs(yi) abs(C – Co), ( i = 1, 2, 3), (6)

де y1, y2, y3, Co знаходимо чисельно як перше приближення. Для уточненого розрахунку параметра С використаємо матричне рівняння і процедуру регулювання коефіцієнтом кореляції. Реалізація відзначеної оптимізаційної процедури проводиться методом швидкого спуску. В результаті знаходимо оптимальне значення параметра С. На третьому етапі хі подаємо у вигляді

xi = xio + abs(yi) abs(A – Ao), (i = 1, 2, 3), (7)

де xio, y1, y2, y3, Co знайдемо чисельно. В результаті розрахунків з використанням числового розв’язку відповідних нелінійних рівнянь отримаємо x1o = 0,05840; x2o = 0,003908; x3o = 0,2070; Аo = 55; y1 = 0,001277; y2 = 0,002206; y3 = 0,001355. Відповідно до отриманих значень екстремальне значення відповідає таким параметрам: АKNO3) ; В (KClO4) = ;
СC12H22O11) = ; Мm ,0 г/м3.

З метою вирішення питання щодо зменшення форсу полум’я, який притаманний АУС на основі нітрату калію, сахарози та перхлорату калію, а також покращення їх техніко-експлуатаційних характеристик, було проведено дослідження впливу добавок на процес згоряння АУС та взаємодії АВР з полум’ям. У якості добавок досліджувалися KCl, K2SO4, NаHCO3, MgCO3•3H2O, CaCO3, K2C2O4, дифеніламін (ДФА), поліетиленполіамін (ПЕПА), карбамід, диціандіамід (ДЦДА). Результати таких досліджень наведено на рис.4, 5.

Найбільший позитивний ефект досягнуто у разі введення до композиції АУС диціандіаміду (при введенні 5 мас. мінімальна вогнегасна концентрація зменшилась з 10,7 г/м3 до 5,9-6,0 г/м3). Введення до складу АУС 5-7% мас. карбаміду призводило до практично повного зникнення форсу полум’я, що також можна вважати за позитивний ефект (значення мінімальної вогнегасної концентрації при цьому суттєво не змінювалось). Інші добавки органічного та неорганічного походження тільки негативно впливали на ефективність АУС. Позитивна дія ДЦДА на вогнегасну дію аерозолевої вогнегасної речовини може бути пояснена низькою енергетикою його розкладання та додатковим газоутворенням (СО2, N2, Н2О).

Рис. 4. Залежність вогнегасної ефективності АУС (Мm) із співвідношенням сахарози, нітрату калію, та перхлорату калію 3:6:1 від концентрації неорганічних добавок

Рис. 5. Залежність вогнегасної ефективності АУС (Мm) із співвідношенням сахарози, нітрату калію, та перхлорату калію 3:6:1 від концентрації органічних добавок

Таким чином обґрунтовано удосконалену рецептуру АУС з таким вмістом та співвідношенням компонентів, % мас: сахароза – 28,5; нітрат калію – 57,0; перхлорат калію – 9,5; диціандіамід – 5,0. Такий АУС отримав назву БАГР-1.

Для порівняння вогнегасної ефективності розробленого зразка БАГР-1 та відомого серійного зразка "Dynamit Nobel – СОЮЗ" користувалися як розробленим методом "камери", так і методом "циліндра" із застосуванням метрологічно атестованої установки, розробленої в УкрНДІПБ МНС України. Методику визначення мінімальної вогнегасної концентрації газових вогнегасних речовин, яка передбачає застосування цієї установки, було модернізовано стосовно можливості визначення мінімальних вогнегасних концентрацій АВР.

Сутність модернізованої методики визначення МВК методом "циліндра" полягає у визначенні мінімальної концентрації вогнегасного аерозолю, за якої відбувається гасіння попередньо запаленого гептанового пальника внесеного в циліндр об’ємом 3,5 л, заповненого аерозолем, за проміжок часу не більше 2 с.

Результати експериментальних досліджень з визначення вогнегасної ефективності АУС БАГР-1 та "Dynamit Nobel – СОЮЗ" наведено у табл. 3, 4.

Таблиця 3

Результати визначення вогнегасної ефективності АУС БАГР-1

та "Dynamit Nobel – СОЮЗ" методом "камери"

Назва

АУС | Наважка АУС, г | Результат гасіння | Тривалість горіння пальника у камері, с | МВК, г/м3 | за результа-тами досліду | усереднене значення | АУС "Dynamit Nobel – СОЮЗ" | 0,0905 | Погашено | 53,00 | 0,1945 | Погашено | 4,34 | 0,1989 | Погашено | 2,00 | 17,0 | 17,0±0,8 |

0,1977 | Погашено | 1,51 | 16,9 | 0,1979 | Погашено | 1,89 | 17,0 | 0,1985 | Погашено | 1,82 | 17,0 | 0,1969 | Погашено | 1,90 | 17,0 | 0,2287 | Погашено | 0,12 | АУС "Багр-1" | 0,0256 | Погашено | 40,60 | 0,0584 | Погашено | 5,24 | 0,0690 | Погашено | 1,98 | 5,9 | 5,9±0,8

0,0645 | Погашено | 1,53 | 5,8 | 0,0698 | Погашено | 1,82 | 5,9 | 0,0697 | Погашено | 1,86 | 5,8 | 0,0682 | Погашено | 1,90 | 5,9 |

З аналізу результатів експериментальних досліджень, наведених у таблицях 3 та 4 встановлено, що розроблений АУС "БАГР-1" за своєю вогнегасною ефективністю у 1,9-2,9 разів перевищує серійний зразок АУС виробництва "Dynamit Nobel – СОЮЗ".

Таблиця 4

Результати визначення МВК АУС БАГР -1 та "Dynamit Nobel – СОЮЗ" методом "циліндра"

Назва

АУС | Наважка АУС, г | Результат гасіння | Тривалість горіння пальника у камері, с | МВК, г/м3 | за результа-тами досліду | усереднене значення |

АУС "Dynamit Nobel – СОЮЗ" | 0,1045 | Погашено | 7,2 | 0,1073 | Погашено | 4,3 | 0,1479 | Погашено | 1,9 | 42,30 | 0,1486 | Погашено | 1,6 | 42,42 | 42,40±0,8 | 0,1487 | Погашено | 1,7 | 42,48 | 0,1485 | Погашено | 1,3 | 42,42 | 0,1839 | Погашено | 0,0 | 52,54 |

АУС "Багр-1" | 0,0315 | Погашено | 41,8 | 0,0698 | Погашено | 5,8 | 0,0710 | Погашено | 1,8 | 20,28 | 22,03±0,8 | 0,0789 | Погашено | 1,2 | 22,54 | 0,0795 | Погашено | 0,9 | 22,71 | 0,0790 | Погашено | 1,1 | 22,57 | 0,0889 | Погашено | 0,1 | 25,40 |

Проведено дослідження інгібувальних властивостей аерозолів, згенерованих із АУС із вмістом солей калію, у тому числі АУС "БАГР-1" та АУС "Dynamit Nobel – СОЮЗ". Експерименти проводились на установці з дослідження процесів взаємодії інгібіторів з полум’ям методом оптичної спект-роскопії, блок-схему установки, розробленої в УкрНДІПБ, подано на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема установки дослідження інгібувальної здатності продуктів згоряння АУС:

1 – компресор; 2 – ресивер; 3 – манометр; 4 – вентилі; 5 – ротаметри; 6 – пневматичний розпилювач гептану; 7 – камера атомізатора; 8 – нагрівач; 9 – посудина з гептаном;
10 – переливний пристрій; 11- спектрометр; 12 – фотопомножувач; 13 – посилювач;
14 – самописець; 15 – блок живлення; 16 – камера для спалювання АУС;
17 – чашка для наважки АВР з пристроєм підпалювання; 18 – акумулятор

У зразках досліджених АУС, крім "БАГР -1" та "Dynamit Nobel – СОЮЗ", містилося по 20неорганічних солей калію (кожної окремо) та 80нітроцелюлози. До складу пороху мисливського входило 15нітрату калію. Результати виявлених залежностей відносних інтенсивностей яОН-радикалів полум’я н-гептану від виду і маси наважок АУС, отриманих в умовах експериментів, наведено на рис.7.

За результатами цих досліджень встановлено ряд ефективності щодо інгібувальних властивостей аерозолевих вогнегасних речовин, згенерованих при згорянні аерозольоутворювальних сполук на основі солей калію, який у напрямку підвищення має вигляд: K2SO4 < KClO4 < KCl < K2CrO4 < порох мисливський (KNO3) < АУС виробництва "Dynamit Nobel – СОЮЗ" < АУС "БАГР-1". Найбільшу ефективність розробленого зразка БАГР-1 пояснено синергізмом бінарної суміші нітрату та перхлорату калію. Методом обернених спектральних ліній натрію досліджено вплив аерозолевої вогнегасної речовини, згенерованої із розробленого АУС "БАГР-1" на температуру полум’я деяких горючих рідин. Дослідження проводили за допомогою спектрометра СДЛ-1, як джерело порівняння застосовували еталонну стрічкову лампу ТРШ-2850-3000. Спектр поглинання спостерігали за допомогою оптичного мікроскопа.

Рис. 7. Залежність відносної інтенсивності Ii/Io випромінювання яОН радикалів полум’я гептану від природи аерозолевої вогнегасної речовини та маси наважки

Аерозоль генерували спалюванням АУС "БАГР-1" в окремій камері об’ємом 10 л і подавали спільно з горючою сумішшю парів горючих рідин та повітря до пальника. Результати досліджень наведено у табл. 5.

Таблиця 5

Результати досліджень з визначення впливу вогнегасного аерозолю, згенерованого з АУС "БАГР-1", на температуру полум’я деяких горючих рідин

Назва горючої рідини | Температура полум’я парів горючих рідин, С | Температура полум’я під час введення АВР, С | Підвищення температури полум’я, С | Н-гептан | 1768 | 1901 | 133 | Нефрас | 1750 | 1815 | 65 | Ацетон | 1707 | 1793 | 86 | Бензин (А-80) | 1660 | 1793 | 133 | Етанол | 1692 | 1785 | 93 |

У результаті досліджень встановлено, що при взаємодії аерозолевої вогнегасної речовини, згенерованої з удосконаленої рецептури аерозольоутворювальної сполуки, з полум’ями парів горючих речовин (бензин А-80, нефрас, ацетон, етанол, н-гептан) їх температура підвищується на 65 –133 С. Це пояснено хімічними реакціями рекомбінації активних радикалів полум’я, відповідальних за розгалуження ланцюгової реакції горіння.

У четвертому розділі наведено результати щодо реалізації удосконаленої АУС та вогнегасної аерозолевої речовини, яку вона генерує, розроблення дослідно-промислових зразків цієї АУС та генератора вогнегасного аерозолю з масою АУС до 2,0 кг. Розроблено відповідні документи, виготовлено дослідно-промислові партії розробленої за результатами досліджень аерозольоутворювальної сполуки і генераторів аерозолевої вогнегасної речовини.

Наведено методику і результати полігонних випробувань ефективності обґрунтованої рецептури АУС та аерозолевої вогнегасної речовини, яка з неї генерується, у випробувальному приміщенні з об’ємом 64,8 м3. За умови створення концентрації АВР 27 г/м3 досягнуто позитивних результатів гасіння макетних вогнищ класів пожеж А та В об’ємним способом за проміжок часу не більше 84,4 с з початку генерування у приміщення АВР. Проведено техніко-економічні розрахунки умов застосування виготовлених дослідно-промислових зразків генераторів споряджених АУС "БАГР-1", які використано в автоматичній установці аерозолевого пожежогасіння, встановленій на об’єкті підприємства "Поліпласт" м. Львів з захищуваним приміщенням об’ємом 550 м3 і можливістю виникнення в ньому пожеж класів А, В, С та електрообладнання.

ВИСНОВКИ

На підставі проведених досліджень розв’язано науково-технічну задачу підвищення ефективності забезпечення пожежної безпеки об’єктів з наявністю електрообладнання і можливістю виникнення на них пожеж класів А, В, С шляхом застосування удосконаленої аерозолевої вогнегасної речовини на основі солей калію з обґрунтованими умовами її застосування.

Основні висновки дисертаційної роботи викладено нижче.

1. За результатами аналізу сучасного стану розроблення та застосування аерозольних засобів пожежогасіння зроблено припущення, що шляхами їх удосконалення є, насамперед, зменшення тепловиділення, масової частки компонентів, що впливають негативно або знижують вогнегасну здатність аерозолевих вогнегасних речовин, підвищення об’ємної частки газів-розріджувачів, які генеруються під час згоряння АУС, а також застосування ефекту синергізму інгібіторів горіння.

2. Термохімічними розрахунками показано, що ступінь перетворення аерозольоутворювальної сполуки, яка містить паливо та нітрат калію у стехіометричному співвідношенні, на аерозолеву вогнегасну речовину нижчий, ніж за наявності у складі АУС водночас нітрату та перхлорату калію. Розрахунково обґрунтовано доцільність застосування у складі аерозольоутворювальної сполуки нітрату та перхлорату калію як окисників та вуглеводів у якості палива.

3. Розроблено лабораторно-дослідницьку установку і методику, проведено експериментальне дослідження впливу виду і співвідношень горючих компонентів, окисників, неорганічних солей-інгібіторів та речовин-газифікаторів на вогнегасну ефективність аерозолевих вогнегасних речовин, рецептури яких визначено розрахунками.

4. На підставі розрахунків та експериментальних досліджень теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено удосконалену рецептуру аерозольоутворювальної сполуки з вмістом нітрату та перхлорату калію, сахарози, а також диціандіаміду у співвідношенні 57,0 ,5 ,5 ,0 % мас., з якої генерується аерозолева вогнегасна речовина, ефективніша у 1,9-2,9 разів, ніж відомий серійний зразок "Dynamit Nobel – СОЮЗ".

5. Визначено інгібувальні властивості та вогнегасну ефективність аерозолевих вогнегасних речовин на основі солей калію. Встановлено ряд ефективності щодо інгібувальних властивостей аерозолевих вогнегасних речовин, згенерованих при згорянні аерозольоутворювальних сполук на основі солей калію, який у напрямку підвищення має вигляд: K2SO4 < KClO4 < KCl < K2CrO4 < порох мисливський (KNO3) < АУС виробництва "Dynamit Nobel – СОЮЗ" < АУС "БАГР-1". Найвищу ефективність розробленого зразка "БАГР -1" пояснено синергізмом бінарної суміші нітрату та перхлорату калію.

6. Встановлено, що при взаємодії аерозолевої вогнегасної речовини, згенерованої з удосконаленої рецептури аерозольоутворювальної сполуки, з полум’ями парів горючих речовин (бензин А-80, нефрас, ацетон, етанол, н-гептан) їх температура підвищується на 65 – 133 С. Це пояснено хімічними реакціями рекомбінації активних радикалів полум’я, відповідальних за розгалуження ланцюгової реакції горіння.

7. Розроблено відповідні документи, які обумовлюють підвищення рівня забезпечення протипожежного захисту об’єкта підприємства "Поліпласт" м. Львів із захищуваним об’ємом приміщення 550 м3 і можливістю виникнення в ньому пожеж класів А, В, С та електрообладнання шляхом застосування автоматичної установки аерозольного пожежогасіння з визначеними умовами генерування розробленої удосконаленої аерозолевої вогнегасної речовини.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у роботах:

1. Баланюк В.М., Левуш С.С., Грималюк Б.Т. Особливості пожежогасіння аерозольними сумішами, переваги та недоліки методу // Пожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів, 2002. – №2. – С .

2. Баланюк В.М., Грималюк Б.Т., Левуш С.С. Вогнегасні аерозольні суміші // Вісник НУ "Львівська політехніка". Хімія, технологія речовин та їх застосування. – Львів, 2002. – №461. – С. .

3. Баланюк В.М., Щербина О.М., Грималюк Б.Т., Кіт Ю.В. Дослідження вогнегасної дії аерозолів, одержаних спалюванням твердопаливних композицій різного складу // Пожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів, 2004. – №4. – С. .

4. Баланюк В.М., Грималюк Б.Т. Метод пошуку ефективних вогнегасних аерозолеутворюючих складів // Пожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів, 2005. – №6. – С. 113-116.

5. Баланюк В.М., Грималюк Б.Т. Щодо питання уточнення механізму вогнегасної дії аерозолевої вогнегасної речовини // Вісник УкрНДІПБ. – Київ, 2005. – С.162-164.

6. Баланюк В.М. Вогнегасна ефективність дослідного зразка аерозольутворюючої сполуки на основі бінарної суміші неорганічних солей калію // Пожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів, 2006. – №9. – С. .

7. Цапко Ю.В., Антонов А.В., Соколенко К.І., Баланюк В.М. Інгібувальні властивості деяких аерозольутворюючих сполук на основі солей калію // Науковий вісник УкрНДІПБ МНС України. – Київ, 2006. – №2 (14). – С. 66-69.

8. Баланюк В.М. Деклараційний патент № 7773. Україна. МПК 7А62D1/06. Аерозолеутворювальний твердопаливний склад для гасіння пожежі / Баланюк В.М. - Заявл. 26.10.2004, № 20041008735, Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7, 2 с.

9. Баланюк В.М. Патент на винахід № 77071. Україна. МПК А62D1/06. Аерозольутворюючий твердопаливний склад для гасіння пожежі. (варіанти) / Баланюк В.М. - Заявл. 11.10.2004, № 20041008220, Опубл. 16.10.2006, Бюл. №10, 3с.

10.V.M., Grymanjuk B.T., Kyt J.V., Levus S.S. The influence of gas phases on the fire-extinguish aerosol effect // Materials 5th International Conference "Fireco 2003" Fire Protection (24-25 June 2003). – Trencin (Словакія), 2003. – Р.10-13.

11. Грималюк Б.Т., Баланюк В.М., Кіт Ю.В., Левуш С.С. Дослідження впливу аерозолів на процес горіння метану // Матеріали III науково-технічної