Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій

та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

УДК 614.842.84

лущ василь іванович

підвищення ефективності гасіння пожеж

легкозаймистих та горючих речовин

комбінованими пінними струменями

Спеціальність 21.06.02 – пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

львів – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ковалишин Василь Васильович, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності МНС України, проректор з науково-дослідної роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Костенко Віктор Климентійович, Донецький національний технічний університет МОН України, завідувач кафедри природоохоронної діяльності.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дунюшкін Володимир Олександрович, науково-дослідний центр-1 Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться 20 грудня 2007 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .874.01 у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи за адресою: 79007, м. Львів, вул. Клепарівська, 35.

З дисертацією можна ознайомитися у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності МНС України за адресою: 79007, м. Львів, вул. Клепарівська, 35.

Автореферат розісланий “ 14 ” листопада 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент ___________ Б.В.Болібрух

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Упродовж 2002-2006 років на підприємствах залізничного транспорту України зареєстровано більше 200 пожеж. Загальні матеріальні збитки лише у 2006 становили 1420,4 тис. грн ( у 2005 р. – 15 млн. 190,2 тис. грн), з них прямі -146,2 тис. грн (у 2005 р. – 14 млн. 616,9 тис. грн), побічні -1274,2 тис. грн ( у 2005 році – 573,2 тис. грн). Під час ліквідації цих пожеж протягом 2006 року пожежно-рятувальними підрозділами Оперативно-рятувальної служби цивільного захисту МНС України (далі ОРС ЦЗ МНС України) та відомчої пожежної охорони врятовано матеріальних цінностей на суму 8 млн. 606,2 тис. грн. Особливу небезпеку представляють пожежі легкозаймистих та горючих рідин та речовин (ЛЗР та ГР), що трапляються на підприємствах залізничного транспорту. Це обумовлюється невизначеністю ситуації щодо місцезнаходження та розташування цистерн і вагонів з ЛЗР та ГР під час виникнення пожежі. Використання стаціонарних установок пожежогасіння в даному випадку не є актуальним. З іншої сторони, виникають проблеми, пов’язані з наближенням засобів пожежогасіння до епіцентру пожежі, особливо, якщо пожежа стається на станціях та транспортних перегонах, де під’їзні шляхи зайняті іншими транспортними засобами. Причому, віддаль між транспортними резервуарами з ЛЗР та ГР є мінімальною, що обумовлює високу імовірність швидкого поширення пожежі.

Показовою є пожежа, яка сталася 16 липня 2007р. на Львівській залізниці в Львівській області біля с. Ожидів. Під час руху 15 цистерн з жовтим фосфором зійшли з колії. Внаслідок аварії, через розгерметизацію ємностей, при контакті фосфору з повітрям, сталася пожежа 6 цистерн. Виникла загроза глобальної техногенної катастрофи, що могла призвести до численних людських жертв та значних матеріальних втрат. Тільки прямі збитки від пожежі становили близько 40 млн. грн, було травмовано 192 особи, в т.ч. 14 працівників МНС України.

Ефективність ліквідації пожеж ЛЗР та ГР та проведення пожежно-рятувальних робіт значною мірою залежить від продуктивності, працездатності, швидкості бойового розгортання технічних засобів пожежогасіння, у тому числі і пожежно-технічного обладнання, одним з видів якого є генератори піни середньої кратності. Аналіз тактико-технічних можливостей, конструктивних рішень та параметрів таких піногенераторів, що знаходяться на озброєнні ОРС ЦЗ МНС України, свідчить про обмеженість поєднання дальності та висоти подачі піни з її високою кратністю. Усунення цих та інших недоліків наявних генераторів піни неможливе без обґрунтування параметрів та реалізації нових конструктивних рішень, яким вбачається застосування комбінованого принципу транспортування піни, що може поєднувати переваги конструкцій генераторів піни низької та середньої кратності. Тобто, одним із шляхів підвищення ефективності пожежогасіння ЛЗР та ГР та проведення пожежно-рятувальних робіт є розроблення та впровадження установок піногенераторів, де паралельні струмені піни низької кратності виконують функцію транспортування струменя піни середньої кратності в зону горіння.

З урахуванням викладеного, проведення досліджень з обґрунтування параметрів та технічних рішень як підґрунтя для створення установок генераторів піни середньої кратності, більш ефективних за існуючі, є актуальним і спрямованим на підвищення ефективності гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин в цілому. Створення комбінованих пересувних пожежних стволів, що можуть подавати і воду, і піну різної кратності є необхідною і актуальною задачею для ліквідації пожеж на залізничному транспорті, оскільки ним перевозяться різноманітні вантажі і в т.ч. легкозаймисті та горючі речовини, для гасіння яких застосовують як піну різної кратності, так і воду (пожежі класу А та В).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до “Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року”, затвердженої Кабінетом Міністрів України №870 від 1 липня 2002 року; “Комплексної програми поліпшення пожежної безпеки на залізничному транспорті України на 2006-2008 роки”, затвердженою наказом Укрзалізниці від 09.02.2006 р. за №148-ЦЗ; згідно з договором № 656/03-90/-ЦТех від 01.10.2003 р. на створення науково-технічної продукції “Розробка пристрою для гасіння цистерн з горючими та легкозаймистими речовинами” між Львівським інститутом пожежної безпеки МНС України та Державною адміністрацією залізничного транспорту України, а також плану науково-дослідної роботи Львівського державного університету безпеки життєдіяльності МНС України.

Мета досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин на залізничному транспорті комбінованими пінними струменями.

Задачі досліджень:

- проаналізувати тактико-технічні характеристики та досвід застосування генераторів піни середньої кратності і повітряно-пінних стволів для подачі піни низької кратності у практиці пожежогасіння ЛЗР та ГР і виявити можливі шляхи підвищення їх ефективності;

- розробити узагальнену математичну модель механічних, гідравлічних і аеродинамічних процесів, що відбуваються при взаємодії та взаємному переміщенні комбінованих струменів повітряно-механічної піни низької та середньої кратності та теоретично визначити основні параметри, що впливають на функціональні властивості таких піногенераторів;

- створити дослідний зразок комбінованої піногенераторної установки, провести дослідження з визначення її тактико-технічних характеристик в лабораторних та полігонних умовах, наближених до реальних;

- визначити тактико-технічні характеристики піногенераторної установки запропонованого типу: продуктивність по піні, витрати розчину піноутворювача, тиск перед розпилюванням, кратність, дальність та висоту подачі піни, дослідити вплив фронтальних та бічних повітряних потоків на траєкторію комбінованого пінного струменя;

- розробити комплект документації на виготовлення та застосування комбінованої піногенераторної установки; провести її порівняльний техніко-економічний аналіз із відомими вітчизняними та закордонними аналогами.

Об’єкт дослідження – процеси, що відбуваються при взаємодії та взаємному переміщенні струменів повітряно-механічної піни низької та середньої кратності під час подавання їх комбінованим способом та їх ефективність при гасінні пожеж.

Предмет дослідження – струмені піни низької, середньої кратності, технічні засоби їх генерування та роздільного і комбінованого подавання.

Методи дослідження. Методи математичного моделювання із застосуванням теоретичних основ аеро- та гідродинаміки механічних систем, а також чисельних методів розв’язування диференціальних рівнянь руху, методи математичної статистики, що застосовуються при аналізі результатів експериментальних досліджень. Експериментальні методи для підтвердження теоретичних висновків проводились у лабораторних, полігонних умовах, а також при застосуванні розробленої установки для комбінованої подачі піни середньої та низької кратності для гасіння реальних пожеж.

Наукова новизна одержаних результатів.

Із застосуванням розробленої математичної моделі динамічних процесів, що відбуваються під час взаємодії пінних струменів низької та середньої кратності, вперше встановлено, що сила взаємодії струменів між собою залежить від кінематичної в’язкості піни, квадрата різниці їх швидкостей та емпіричного коефіцієнта взаємодії.

Теоретично встановлено та експериментально підтверджено, що збіль-шення дальності подавання піни середньої кратності не забезпечується шляхом підвищенням тиску робочого розчину піноутворювача перед піногенератором вище 0,6 МПа, оскільки зменшується кратність піни, але можна досягнути завдяки використанню кінетичної енергії струменя низької кратності при комбінованому подаванні струменів середньої та низької кратності.

Вперше обґрунтовано основні параметри комбінованої піногенераторної установки (конструктивне виконання різних комбінацій системи генерування піни та лафета; кут нахилу стволів, напір, траєкторія пінних струменів тощо), реалізація яких призвела до підвищення ефективності роботи установки в умовах гасіння пожеж ЛЗР та ГР.

Практичне значення одержаних результатів.

Експериментально і теоретично обґрунтовано практичні рекомендації щодо експлуатації комбінованої піногенераторної установки під час гасіння пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт.

Розроблено конструкцію піногенераторної установки, де паралельні струмені піни низької кратності виконують функцію транспортування струменя піни середньої кратності в зону горіння легкозаймистих та горючих речовин для практичного використання під час ліквідації пожеж.

Дослідний зразок комбінованої піногенераторної установки застосовувався пожежно-рятувальними підрозділами ОРС ЦЗ МНС України у Львівській області при гасінні реальних пожеж (ліквідація пожежі жовтого фосфору біля с. Ожидів, та на Львівській нафтобазі (вул. Пластова)) і отримав позитивне схвалення, а також впроваджено у відомчій пожежній частині Львівської залізниці Державної адміністрації залізничного транспорту України з річним економічним ефектом 200 тис. гривень.

Особистий внесок здобувача полягає у розробленні [1,9,10,12] та дослідженні [3,6] експериментального взірця комбінованої піногенераторної установки, дослідженні динамічних процесів, що виникають в цій установці під час пожежогасіння легкозаймистих та горючих речовин [2,4,11]. Здобувачем опрацьована методика конструювання та оптимізації елементів запропонованої установки [5,7,8]. Здобувач приймав безпосередню участь у впровадженні одержаних результатів дисертаційної роботи.

Апробація результатів роботи.

Основні положення і результати досліджень доповідались на
5 міжнародних науково–технічних симпозіумах і науково-практичних конференціях: на науково-практичних заходах у рамках спеціалізованої виставки „Пожежна та техногенна безпека України 2005”, (Київ,2005), на
VIІ міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків, (Львів,2005), на VI Міжнародній науково-технічній конференції АСПГП "Промислова гідравліка і пневматика", (Львів,2005), на сьомій щорічній міжнародній Промисловій конференції, (Славське, Карпати, 2007), на міжнародній конференції “Konference pozarni bezpecnost staveb”, (Острава (Чехія),2007).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у
12 наукових працях, з них 6 наукових статей надруковано у фахових наукових виданнях, передбачених переліком ВАК України, 5 праць у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій, симпозіумів, отримано 1 патент України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, додатків. Повний обсяг дисертації – 181 стор., з них 11 додатків на 36 стор. Дисертація містить 53 рисунки та 21 таблицю, 101 посилання на використані літературні джерела.

ОСНОВНИЙ зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв’язок з науковими програмами, наукове та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію, відзначено особистий внесок автора у публікаціях.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел окреслено етапи розв’язання наукової задачі підвищення ефективності гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин шляхом впровадження нових конструкцій установок для подачі основного струменя піни середньої кратності допоміжним струменем (або струменями) піни низької кратності. Подана специфіка використання та аналіз конструкцій генераторів піни середньої та низької кратності. Проведено аналіз методів дослідження параметрів та динаміки подачі пінних струменів. Обґрунтовано задачі дисертації.

Вагомий внесок у вивчення природи та динаміки пінних струменів внесли такі відомі вчені, як В. Люгер, Д. Фріман, В.Г. Лобачов, Е.Д. Мальцев, В.П. Ольшанський, Н.А. Тарасов-Агалаков, А.А. Качалов, В.Ф. Ходаков та інші.

На основі проведеного аналізу технічного рівня та стану відомих конструкцій генераторів піни середньої кратності та методик дослідження динамічних процесів при їх роботі, можна зробити висновок, що найбільш важливою вимогою, що ставиться до пожежно-технічного обладнаня при гасінні пожеж ЛЗР та ГР на залізничному транспорті є забезпечення високої дальності подачі піни із збереженням її високої кратності та комбінування подачі як водяних, так і пінних струменів. Виходячи з статистичних даних, саме ці фактори мають визначальне значення, що дозволяє забезпечити безпечну роботу пожежних та підвищити ефективность роботи такого обладнання. Принциповим аналогом установки піногенератора комбінованої дії може бути відома конструкція генератора піни середньої кратності типу ГПС. Очевидно, що при цьому потрібно врахувати, необхідність поєднання та синхронізації роботи генераторів піни середньої та низької кратності, і це суттєво позначається на конструкції, розмірах та динаміці роботи такої установки.

Враховуючи те, що запропонована технологія транспортування піни середньої кратності струменями піни низької кратності розроблена вперше, теоретичні та експериментальні дослідження взаємодії пінних струменів в процесі сумісного польоту не проводились. Тому необхідно розробити математичну модель цього процесу та провести теоретичні дослідження саме цього явища і його впливу на формування траєкторії комбінованого пінного струменя. З огляду на те, що теоретичні дослідження не завжди точно описують реальні динамічні процеси, особливу увагу слід приділити дослідженню моделей на адекватність, як наслідок зівставлення результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

У другому розділі розроблені математичні моделі динамічних процесів, що відбуваються під час взаємодії струменів повітряно-механічної піни різної кратності.

Класично, при дослідженні вертикальних струменів, використовують емпіричні формули Люгера та Фрімана, які побудовані на основі експериментальних досліджень та дозволяють знайти втрати напору. В дисертаційній роботі запропоновано задаватись не виразами втрат напору, а силою опору руху, як функцією швидкості потоків. Швидкість визначиться розв’язком диференціального рівняння Бернуллі.

Щоби скласти диференціальне рівняння руху, розглянемо динамічну рівновагу елемента струменів різної кратності довжиною dy в напрямку вертикальної осі oy. Вона виражається рівняннями:

,(1) | де |

(2) | Індекси 1 та 2 стосуються для позначення параметрів струменів піни середньої та низької кратності, D і щ – діаметр і площа поперечного січення струменя; p – тиск; v – вертикальна швидкість руху центра виділеного елемента; с – питома густина речовини; g – прискорення вільного падіння;
G – сила ваги; Fi – сила інерції; Fоп – сила опору повітря, що діє на виділений елемент; Коп = Коп(y) – коефіцієнт тертя струменя об повітря; f(v) – деяка неперервна функція швидкості; Fвс – сила взаємодії струменів між собою; Квс=Квс(y) – коефіцієнт тертя струменя об струмінь.

Оскільки в подальшому буде розглядатися тільки стаціонарний рух струменів, то для нього , а часткові похідні по y переходять в звичайні. Для спрощення рівнянь рахуватимемо тиск p в струмені постійним, тому . Крім того, приймаємо КопD-1=const. В результаті, підставивши вирази (2) в (1), переходимо до рівняння Бернуллі в диференціальній формі:

, | (3) | Якщо сила опору повітря представлена виразом то рух тіла визначається рівнянням:

, | (4) | Ввівши позначення :, отримаємо:

, | (5) | що збігається з (3) при б = 4Коп(сD)-1

При квадратичній залежності сили взаємодії між струменями від величини їх відносної швидкості динамічний процес опишеться системою чотирьох нелінійних диференціальних рівнянь:

, | (6) | з початковими умовами:

, | (7) | де v0 – швидкість витікання струменя із ствола;

И – кут нахилу осі ствола до горизонту;

б – коефіцієнт взаємодії струменя з повітрям;

в – коефіцієнт взаємодії струменів між собою.

Взаємодія між струменями відбувається при виконанні певної умови. Цією умовою є вертикальна відстань між обома струменями, якщо між струменями є зазор то контакту немає і навпаки. Цю ділянку назвемо першою фазою окремого польоту. Перша фаза польоту закінчується падінням струменя піни середньої кратності на струмінь (струмені) піни низької кратності із-за різниці їхніх початкових швидкостей (v01<v02). Цей момент і є початком другої фази – фази взаємодії струменів між собою. В цій фазі польоту відбувається обмін кінетичними енергіями струменів. Струмінь з більшою енергією гальмується струменем з меншою енергією, завдяки чому струмінь з меншою енергією розганяється. Енергетичний обмін між струменями призводить до усереднення траєкторій – збільшення дальності польоту піни середньої кратності завдяки зменшенню дальності польоту струменя низької кратності. Якщо б ця фаза польоту тривала достатньо довго, то значення кінетичної енергії обох струменів вирівнялися б і далі існував би лише один узагальнений струмінь. Однак, як показують експериментальні дослідження, існує і третя фаза – друга фаза окремого польоту струменів, коли струмінь піни середньої кратності падає нижче від струменя піни низької кратності. Чисельне інтегрування системи нелінійних диференціальних рівнянь (6) з початковими умовами (7) та умовами існування фаз польоту виконано з допомогою ЕОМ, використовуючи метод Рунге-Кутта четвертого порядку. Графічна інтерпретація результатів моделювання подана на рис 1.

Теоретично доведено, що найефективнішим режимом подачі комбінованого пінного струменя є такий режим, при якому існує тільки одна фаза – фаза взаємодії струменів між собою. Встановлення вертикальної відстані між центрами струменів y01 - y02 = (D1-D2)/2 призводить до зникнення першої фази окремого польоту струменів, а отже і до покращання ефективності. Проте, уникнення другої фази окремого польоту неможливе внаслідок різних початкових швидкостей та різних коефіцієнтів взаємодії струменів із повітрям.

Рис. 1. Розрахункові траєкторії польоту струменів:

1- траєкторія струменя піни середньої (К=80) кратності, генерованої ГПС-600;

2- траєкторія струменя піни низької (К=8) кратності, генерованої СПП-4;

3- траєкторія комбінованого пінного струменя.

Проведені теоретичні дослідження впливу вітру на формування траєкторії пінного струменя. Підставивши вплив вітру на координату x1; x2 в систему рівнянь (6) отримаємо:

, | (8) | де V – швидкість вітру (м/с);

k = ±1 – коефіцієнт, що враховує напрям вітру – k = 1 при попутному вітрі, а k = _при зустрічному.

Розв’язки математичної моделі, побудованої на системі рівнянь (8) для зустрічного та попутного вітру швидкістю V = 5 м/с при Н2 = 100 м та И = 30є, представлені на рис. 2.

Рис. 2. Траєкторії струменів з врахуванням попутного та зустрічного вітру:

а - траєкторія комбінованого пінного струменя з врахуванням зустрічного вітру;

б - траєкторія комбінованого пінного струменя з врахуванням попутного вітру.

Для врахування впливу бокового вітру на процес польоту струменів необхідно ввести третю координату – вісь oz, тобто перейти до тривимірного простору xyz. Тоді система рівнянь перепишеться таким чином:

, | (9) | Розв’язки системи рівнянь (9) при значеннях Н2 = 100 м, И = 30є та
V = 5 м/с (два струмені підтримки) представлено в графічному виді на рис. 3.

Рис. 3. Траєкторії струменів з врахуванням бокового вітру:

а - траєкторія комбінованого пінного струменя без врахування бокового вітру;

б- траєкторія комбінованого пінного струменя із врахуванням бокового вітру.

Аналізуючи вплив вітру на траєкторію узагальненого струменя слід відмітити позитивний вплив попутного та бокового вітру на дальність його польоту.

В третьому розділі проведено обґрунтування конструктивних параметрів установок комбінованого генерування піни середньої та низької кратності.

Доведено, що дальність польоту пінного струменя прямо пропорційна питомій густині піни та діаметру струменя. Оскільки зміна питомої густини піни, що визначається її кратністю, не входить в задачі досліджень, то проведений теоретичний аналіз впливу саме діаметра ствола на дальність подачі пінного струменя, а відтак і на ефективність гасіння пожежі установкою, що складається із різних поєднань комбінованих генераторів піни середньої та низької кратності. Для цього розроблена математична модель для розрахунку траєкторій похилих гідравлічних струменів для різних комбінацій генераторів піни середньої та низької кратності.

На рис. 4 представлено дослідження траєкторій похилих гідравлічних струменів для установок ГПС-600+2 СПП-2 та ГПС-1000+2 СПП-2. Штрих-пунктирною лінією позначені траєкторії струменів піни середньої кратності, суцільною – низької кратності. Як видно із рис. 4, дальність польоту узагальненого пінного струменя становить 17,5 та 19,5 м. Тобто дальність польоту струменя діаметром 400 мм є вищою від дальності польоту струменя діаметром 300 мм.

Рис.4. Траєкторії похилих гідравлічних струменів установок ГПС-600+2 СПП-2

та ГПС-1000+2 СПП-2

Формування найбільш ефективної конструктивної схеми комбінованого піногенератора можна сформулювати як класичну задачу структурно-параметричної оптимізації. В аналітичному вигляді така задача описується системою частково-формалізованих виразів:

Знайти KSopt=f (D, d, k, ) як argmax (L h)

при обмеженнях:

Обмеження 1. 50 К 80;

Обмеження 2. І 0,075 л/(см2);

Обмеження 3. 0,6 Н 0,9 (МПа);

Обмеження 4. V Vкр.(м/с);

Обмеження 5. [Qнас] QпГПС + QпСПП.

де KSopt – оптимальне конструктивне вирішення комбінованої піногенеруючої установки, що визначається діаметром ствола генератора піни середньої кратності (D), діаметром (або діаметрами) стволів генератора піни низької кратності (d), кількістю цих стволів (k), відстанню між стволами в горизонтальній площині ();

критерійні функції L та h – довжина та висота генерованого пінного струменя;

К – усереднена кратність генерованої піни;

І – інтенсивність зрошування по розчину піноутворювача (л/(см2));

Н - величина максимального тиску перед розпилювачем (МПа);

V - швидкість виходу піни із ствола;

QпГПС, QпСПП - продуктивність по піні генераторів піни середньої кратності та стволів піни низької кратності, відповідно.

Функція мети є критерієм досягнення максимальної довжини (L) або висоти (h) подачі комбінованого пінного струменя.

Щоб виконувались обмеження (1)-(5) необхідно витримати такі вимоги. Обмеження 1. Кратність генерованої піни не повинна бути меншою від 50 і вищою від значення 80 , виходячи з умови ефективного гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин мобільними піногенеруючими установками. Обмеження 2. Інтенсивність зрошування по розчину піноутворювача І не повинна бути меншою від нормативного значення І=0,075(л/(см2). Обмеження 3. Величина максимального тиску перед розпилювачем Н піногенераторної установки повинна визначатися можливостями стандартної техніки згідно з ДСТУ 3286-95 “Пожежна техніка. Автомобілі гасіння. Загальні технічні умови”. Обмеження 4. Значення швидкості виходу піни із ствола для 6% розчину піноутворювача не повинно перевищувати критичне значення Vкр, виходячи з умови формування піни середньої кратності. Обмеження 5. Сумарне значення продуктивності QпГПС та QпСПП по піні стволів генераторів піни середньої та низької кратності, відповідно, не повинно перевищувати нормативне значення продуктивності насоса пожежного автомобіля або пожежного поїзда, що забезпечують гасіння даної пожежі. Результати моделювання подані в табл. 1.

Таблиця 1

Робочі параметри комбінованих пінних стволів при тиску 0,8 МПа

Комбінація:

генератор + стволи | Qп

л/с | QГПС+QСПП

л/с | Qп.у.,

л/с | QН2О,

л/с | L, м

ГПС-600+2СПП-2 | 860,0 | 783,3+83,3 | 1,0 | 15,7 | 17,5

ГПС-600+2СПП-4 | 946,0 | 783,3+166,7 | 2,0 | 23,5 | 19,5

ГПС-600+2СПП-8 | 1118,3 | 783,3+333,3 | 2,5 | 39,7 | 21

ГПС-1000+2СПП-2 | 1376,0 | 1300+83,3 | 1,3 | 20,3 | 19

ГПС-1000+2СПП-4 | 1462,0 | 1300+166,7 | 1,8 | 28,2 | 21,5

ГПС-1000+2СПП-8 | 1633,3 | 1300+333,3 | 2,8 | 44,4 | 23

ГПС-2000+2СПП-2 | 2666,7 | 2583,3+83,3 | 2,1 | 32,6 | 21

ГПС-2000+2СПП-4 | 2751,7 | 2583,3+166,7 | 2,6 | 40,5 | 23

ГПС-2000+2СПП-8 | 2923,3 | 2583,3+333,3 | 3,6 | 56,7 | 25

Аналіз проведених розрахунків показав, що ефективніше конструювати комбіновані установки комбінацією ГПС високої продуктивності (більші значення діаметра кожуха) та СПП малої продуктивності (менші значення діаметрів кожухів).

В четвертому розділі проведена експериментальна перевірка основних теоретичних результатів досліджень.

Для проведення експериментальних досліджень була сконструйована і виготовлена установка пересувного генератора середньократної піни модульної конструкції. В якості змінних модулів запропоновано 2 варіанти комплектів повітряно-пінних стволів, що генерують повітряно-механічну піну низької кратності для забезпечення транспортування піни середньої кратності.

В першому етапі випробовувань проводилось експериментальне визначення довжини пінного струменя та генерованої піни виключно генератором піни середньої кратності (приблизна кратність 80) типу ГПС-600. Другим етапом випробовування є дослідження цих же параметрів за умови використання генератора ГПС-600 у поєднанні тільки з одним повітряно-пінним стволом типу СПП-4 з щілинною насадкою (продуктивність 64 л/с
при тиску 0,6 МПа), що генерує піну низької кратності (кратність 8-10)
ПЛСК-700-1 – (рис.5). Третім етапом є експериментальні дослідження установки з використанням генератора ГПС-600 і 2-х паралельно зблокованих ручних повітряно-пінних стволів СПП-2 (продуктивність 32 л/с для кожного ствола) ПЛСК-700-2 –(рис. 5), де генеровані ними струмені піни низької кратності виконують основну функцію транспортування струменя піни середньої кратності в зону горіння. При цьому, генератор піни середньої кратності може бути відключений, тобто буде подаватись лише піна низької кратності.

Рис. 5. Експериментальна установка пересувного генератора піни середньої кратності модульної конструкції типу ПЛСК:

1 _генератор піни типу ГПС - 600;

2 _повітряно-пінний ствол типу СПП-4;

3 _повітряно-пінні стволи типу СПП-2.

Експериментальні дослідження інтенсивності зрошування по розчину піноутворювача в кожній контрольній точці І (л/(м2с)), де, згідно з методикою проведення випробовувань, через кожні 5 м встановлювались металеві піддони розміром 0,50,5 м та висотою 0,4 м, отримані в результаті досліджень роботи установки при різних, найбільш характерних режимах роботи експериментального комбінованого генератора подачі піни середньої кратності, подані на рис 6.

Порівняльний аналіз експериментальних даних дає можливість встановити деяку загальну закономірність параметрів роботи комбінованого генератора піни середньої кратності залежно від конструкції його ствольної системи. Найбільша довжина струменя повітряно-механічної піни по горизонталі від насадки-розпилювача до межі розповсюдження основної маси вогнегасної речовини спостерігається у випадку використання двоствольної конструкції піногенеруючої системи низької кратності, що підтримує пінний струмінь середньої кратності (L 23 м). У випадку застосування одноствольної конструкції піногенеруючої системи низької кратності довжина пінного струменя становить приблизно 18 м. Довжина струменя піни середньої кратності при його генеруванні виключно генератором ГПС _приблизно 6 м.

Рис. 6. Графічна інтерпретація результатів експериментальних досліджень інтенсивності подачі піни середньої кратності

Фізична суть такого явища є, по-суті, очевидною, і це цілком корелюється з результатами теоретичних досліджень (розділ 2). У випадку транспортування виключно піни середньої кратності динамічні показники руху пінної маси обмежуються її малою густиною та низькою кінетичною енергією струменя. Очевидно, що транспортування піни середньої кратності через механізм перенесення її піною низької кратності є більш дієвим. Проте, при умові перенесення пінного струменя із площею в перерізі в 25-30 разів більшою, ніж площа пінного струменя низької кратності, відбувається часткове “звалювання” середньократної піни з низькократного струменя. Частково цей недолік компенсується тим, що випускний патрубок ствола СПП-4 виготовляється щілинної конструкції, що підвищує площу контакту двох струменів. Найбільший ефект перенесення піни середньої кратності на більшу віддаль досягається в разі використання двоствольної системи генерування транспортуючої піни низької кратності. Тоді є менша імовірність руйнування пінними струменями низької кратності струменя середньої кратності та можливість його “звалювання” обмежена специфічною двоклиновою геометрією пінних потоків. Інтенсивність зрошування по розчину піноутворювача є наслідком вищенаведеного ефекту. Щодо кратності генерованої піни, то можна зауважити, що найвищий показник має піна, генерована установкою без використання низькократних транспортуючих струменів (К=74), менший показник кратності – піна, що генерована установкою з двома стволами СПП-2 (К=64), і найменший показник кратності – у піни, отриманої в результаті роботи установки з одинарним стволом СПП-4 та ГПС-600 (К=56). Такий результат обумовлений різницею пропорцій низькократної та середньократної піни у суцільній пінній масі.

Таким чином, дослідження динаміки роботи комбінованих генераторів піни середньої кратності в якісному відношенні корелюються з теоретичними положеннями, поданими в розділах 2 і 3 даної дисертаційної роботи або підтверджують відомі з літературних джерел твердження.

В п’ятому розділі подано техніко-економічний аналіз гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин із застосуванням установок комбінованого генерування піни середньої та низької кратності та результати полігонних випробовувань установки.

Порівняльний вартісний аналіз різних конструкцій піногенераторних установок дає змогу встановити, що запропоновані конструкції типу ПЛСК є значно дешевшими від закордонних та вітчизняних аналогів (рис. 7).

Рис. 7. Порівняльний вартісний аналіз піногенераторних установок

Виходячи з конструктивних та технологічних характеристик установок комбінованого генерування піни середньої та низької кратності типу ПЛСК, відзначаються такі їх переваги у зіставленні з існуючими аналогами: поєднання високої дальності подачі пінного струменя, що перевищує аналоги (наприклад, ГПС-600 _у 4-5 разів) з підвищеною кратністю генерованої піни (приблизно у 2 рази вище, ніж в установці типу “Пурга 10”); висока маневреність та компактність установок типу ПЛСК, що забезпечується встановленням її на пересувний лафет; модульний принцип конструювання установки, що дає змогу швидкого приєднання водяних насадок для подачі компактних емульсованих струменів води під час охолодження бічних поверхонь резервуара з палаючими ЛЗР та ГР з метою запобігання інтенсивного зростання гомотермічного шару і уникнення викиду та спінювання ЛЗР та ГР; тактична мобільність у використанні установки ПЛСК, що забезпечується як сумісною подачею піни середньої та низької кратності, так і їх автономною та роздільною подачею; підвищена безпека роботи пожежних, як наслідок більшої довжини пінного струменя, а відтак і більш віддаленої позиції базування установки ПЛСК від епіцентру пожежі і зон, що можуть бути накриті викидами ЛЗР та ГР; наявність телескопічного фіксатора ствола, що забезпечує стаціонарність установки на бойовій позиції. Всі ці переваги спричинюють суттєві відмінності у тактиці використання даних установок під час гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин з метою більш повної реалізації нових властивостей піногенераторної установки комбінованої дії типу ПЛСК.

Нормативна інтенсивність подавання робочих розчинів піноутворювачів для гасіння пожеж у резервуарах з нафтою та нафтопродуктами з температурою спалаху 28С і нижче та речовини, які нагріті до температури, вищої за температуру спалаху, знаходиться в межах 0,08 дм3/(м2с), а для ЛЗР та ГР з температурою спалаху вище 28С – 0,05 дм3/(м2с). Згідно з наведеними у розділі 4 результатами експериментальних досліджень, можна стверджувати, що ці показники досягаються будь-якою конструкцією установки комбінованої подачі піни – ПЛСК-700-1; ПЛСК-700-2 або ПЛСК-1000.

Якщо гасіння передбачається здійснювати пінними лафетними установками ПЛСК-700 або ПЛСК-1000, то розрахунковий час подавання піни рекомендується приймати у відповідності до рекомендацій НАПБ 05.035 – 2004 “Інструкція щодо гасіння пожеж у резервуарах із нафтою та нафтопродуктами”. Особливої уваги заслуговує здатність установки ПЛСК-700 або ПЛСК-1000 забезпечувати комбіновану подачу як піни, так і води.

Наведена методика розрахунку сил та засобів, що слід задіяти для пінної атаки під час гасіння пожежі легкозаймистих та горючих речовин із застосуванням установок комбінованих генераторів піни середньої кратності типу ПЛСК.

висновки

1. На основі наукового аналізу тактико-технічних характеристик та досвіду застосування генераторів піни середньої кратності і повітряно-пінних стволів для подачі піни низької кратності при гасінні пожеж легкозаймистих та горючих речовин, показано, що найбільш важливою вимогою, що ставиться до мобільного пожежно-технічного обладнання є забезпечення високої дальності подачі піни із збереженням її середньої кратності (К = 50 – 70).

2. Розроблено узагальнену математичну модель, що описує механічні, гідро- та аеродинамічні процеси, що відбуваються під час переміщення в повітрі нахилених гідравлічних струменів та взаємодію струменів піни середньої та низької кратності. За допомогою математичного моделювання встановлено характер залежності сили опору від швидкості руху пінних струменів. Аналітично доведено, що для параметрів гідравлічних похилих струменів, що досліджуються в даній роботі, є квадратична залежність сили опору струменя при його терті об повітря.

3. Доведено, що процес взаємодії (сумісного руху) двох пінних струменів повітряно-механічної піни різної кратності, що вилітають із стволів з різними початковими швидкостями, призводить до вирівнювання їх кінетичних енергій, внаслідок чого утворюється узагальнений пінний струмінь. Встановлено, що швидкість узагальненого пінного струменя є більшою за швидкість струменя піни середньої кратності і меншою за швидкість струменя піни низької кратності, що дозволяє використовувати струмінь піни низької кратності для транспортування струменя піни середньої кратності.

4. Встановлено, що збільшення діаметра пінного струменя повітряно-механічної піни низької кратності приводить до зростання його несучої здатності. Отже дальність подавання узагальненого струменя комбінованої лафетної установки зростає із збільшенням діаметрів стволів та генераторів.

5. Розроблено та виготовлено експериментальну установку пересувного генератора піни середньої кратності модульної конструкції. Найбільша довжина подавання комбінованого струменя повітряно-механічної піни спостерігається у випадку використання двоствольної підтримуючої конструкції піногенеруючої системи низької кратності (L 23 м). Меншою є довжина пінного струменя при використанні одноствольної підтримуючої системи подачі піни низької кратності (L 18 м), порівняно до 6 м довжини струменя при генеруванні піни середньої кратності виключно генератором ГПС.

6. Розроблено комплект документації на виготовлення та застосування комбінованої піногенераторної установки типу ПЛСК.

7. Порівняльний техніко-економічний аналіз типу установок типу ПЛСК дав змогу встановити, що запропоновані конструкції є більш як у 5 разів дешевшими від закордонних аналогів (установки типу Пурга 10.10. 20).

Список опублікованих праць

1. Ковалишин В.В., Лущ В.І. Розробка пересувних генераторів подачі піни середньої кратності для гасіння легкозаймистих та горючих рідин // Пожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів: ЛІПБ МНС України. – 2005. – №6. – С. 174-177. (Автором запропонована конструкція піногенераторної установки, де паралельні струмені піни низької кратності виконують функцію транспортування струменя піни середньої кратності в зону горіння).

2. Кузьо І.В., Лущ В.І. Дослідження ефективності процесу транспортування струменя повітряно-механічної піни середньої кратності струменем повітряно-механічної піни низької кратності // Пожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів: ЛДУ БЖД МНС України. – 2006. – №8. – С. 93-98. (Автором проведені теоретичні дослідження динаміки потоків піни середньої та низької кратності та їх взаємодія).

3. Ковалишин В.В., Лущ В.І., Дворянин І.В. Експерементальні дослідження комбінованих генераторів піни середньої кратності для гасіння горючих речовинПожежна безпека: Зб. наук. праць. – Львів: ЛДУ БЖД МНС України. – 2006. – №9. – С. 28-33. (Автором запропонована методика експериментальних досліджень, проведені розрахунки експериментальних результатів та їх аналіз).

4. Кузьо І.В., Лущ В.І. Визначення траекторії сумісного руху гідравлічних струменів повітряно-механічної піни різної кратності // Промислова гідравліка і пневматика. – Вінниця. – 2006. – №4 (14). – С. 17-20. (Автором запропонована математична модель динамічних процесів, що відбуваються під час взаємодії пінних струменів низької та середньої кратності та досліджено вплив сили взаємодії струменів між собою від кінематичної в’язкості піни та їх швидкостей).

5. Ковалишин В.В., Лущ В.І. Обгрунтування конструктивних параметрів комбінованого лафетного ствола для гасіння легкозаймистих та горючих рідин // Машинознавство. – Львів. – 2006. – № 8(110). – С. 41-46. (Автором наведені результати конструкторських робіт із розроблення та впровадження піногенераторних установок комбінованого подавання піни середньої та низької кратності).

6. Лущ В.І. Результати натурних вогневих випробувань пінного лафетного ствола комбінованого ПЛСК-700 // Науковий вісник УкрНДІПБ. – Київ. –2007. – №1(15). – С. 103-106.

7. Лущ В.І., Ковалишин В.В. Пат. 10083, Україна, А62С2/00. Установка для гасіння цистерн з горючими та легкозаймистими рідинами. –
№ 20040907639; Заявл. 20.09.04.; Опубл. 15.11.05.; Бюл. №11, 2с. (Автором подано принципове конструктивне вирішення піногенератора комбінованої подачі піни середньої та низької кратності).

8. Ковалишин В.В., Лущ В.І. Розроблення пересувних генераторів піни середньої кратності для гасіння пожеж у резервуарах з легкозаймистими та горючими речовинами // Матеріали науково-практичних заходів спеціалізованої виставки “Пожежна та техногенна безпека України 2005”. – Київ. – 2005. – С. 55-56. (Автором висвітлено проблеми гасіння пожеж ЛЗР та ГР струменями повітряно-механічної піни різної кратності та запропоновано шляхи вирішення цієї проблеми).

9. Лущ В., Новіцький Я., Ступницький В. Пересувні генератори подачі струменя піни середньої кратності за допомогою струменів піни низької кратності // Тези доповідей 7-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. – Львів. – 2005. – С. 136-137. (Автором обґрунтована принципова можливість застосування струменів піни низької кратності для транспортування струменів піни середньої кратності в зону горіння).

10. Лущ В.І. Вдосконалення пожежного ствола для гасіння нафтопродуктів //
VI Міжнародна науково-технічна конференція АСПГП "Промислова гідравліка і пневматика". – Львів. – 2005. – С. 10.

11. Лущ В., Юрчишин І., Новіцький Я. Нові напрямки в техніці гасіння пожеж комбінованими пінними струменями // Материалы Седьмой ежегодной международной Промышленной конференции. – Славское, Карпаты. –
2007. – С. 131-132. (Автором запропоновано новий спосіб пожежогасіння ЛЗР та ГР за допомогою установок типу ПЛСК).

12. Kovalyshyn V., Lushch V. Increasing of efficiency of extinguishing of reservoirs with flammable combustible matters.// Konference pozarni bezpecnost staveb. – 2007. – Ostrava. – P. 37-39. (Автором висвітлено проблему необхідності поєднання дальності та висоти подачі піни з її високою кратністю та її конструктивне вирішення).

Анотація

Лущ В.І. Підвищення ефективності гасіння пожеж легкозаймистих та горючих речовин комбінованими пінними струменями. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – пожежна безпека. Львівський державний університет безпеки життєдіяльності Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи. – Львів, 2007.

Найбільш важливою вимогою, що ставиться до мобільного пожежно-технічного обладнання з метою ефективної ліквідації пожеж легкозаймистих та горючих речовин, є забезпечення високої дальності подачі піни із збереженням її високої кратності. У дисертації запропоновано конструкцію