АНАЛИЗ И ОБОСНОВАНИЕ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ В ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ СУДОВ ВОДНЫМИ ОГНЕТУШАЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

brief description

ВОЕННО-МОРСКИЕ СИЛЫ ВООРУЖЕННЫХ СИЛ УКРАИНЫ
СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ВОЕННО-МОРСКОЙ ОРДЕНА КРАСНОЙ ЗВЕЗДЫ ИНСТИТУТ
им. П.С. НАХИМОВА

Емец Андрей Александрович

УДК 614.844.2

Анализ и обоснование ТУШЕНИя ПОЖАРОВ
В ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ СУДОВ
ВОДНЫМИ ОГНЕТУШАЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

21.06.02 - пожарная безопасность

диссертация на соискание
ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель
к.т.н., доцент Головин Виктор Иванович

Севастополь 2003

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ ......

6

РАЗДЕЛ 1

Анализ состояния вопроса и постановка задач исследований

13

1.1.

Анализ существующих способов и средств тушения пожаров на судах Украины.............

13

1.2.

Анализ состояния вопроса по тушению пожаров распыленной водой.

17

1.3.

Способы и средства получения распыленных водных огнетушащих веществ для тушения пожаров в судовых помещениях.

24

1.4.

Цель и задачи исследований...

29

1.5.

Выводы по разделу 1...

31

РАЗДЕЛ 2

Теоретические исследования физических процессов, происходящих в помещении с очагом пожара при тонком распыливании водных огнетушащих веществ по всему объему их замкнутого пространства............

33

2.1.

Моделирование физических процессов при тонком распыливании водных огнетушащих веществ в объеме закрытого помещения с очагом пожара.......................

33

2.2.

Разработка объемного способа тушения пожаров в закрытых помещениях тонкораспыленными водными огнетушащими веществами...

39

2.3.

Математическая модель распыливания и распределения капель водного огнетушащего вещества в объеме закрытого помещения...

44

2.3.1.

Разработка метода расчета параметров распыливания водных огнетушащих веществ....................................................................

44

2.3.2.

Расчет объема пространства, заполняемого тонкораспыливаемыми каплями водного огнетушащего вещества для одного факела распыливания................................................................................

55

2.3.3.

Расчет среднеобъемной концентрации капель тонкораспыленного водного огнетушащего вещества в закрытом помещении

57

2.4.

Математическая модель процессов тепломассообмена между каплями распыленного водного огнетушащего вещества и газовоздушной средой закрытого помещения с наличием в нем очага пожара..............

59

2.5.

Выводы по разделу 2...

68

РАЗДЕЛ 3

Экспериментальные исследования процесса распыливания водных огнетушащих веществ в объеме закрытого помещения судна ....

69

3.1.

Теоретические исследования распределения распыленных капель водных огнетушащих веществ в объеме закрытого помещения....

69

3.2.

Экспериментальные исследования процесса распыливания водных огнетушащих веществ форсунками центробежного типа.......

79

3.2.1.

Методика исследования процесса распыливания водных огнетушащих веществ форсунками центробежного типа...........

79

3.2.2.

Методика проведения экспериментальных исследований распыливания водных огнетушащих веществ центробежными форсунками..........................................................................

93

3.2.3.

Результаты экспериментальных исследований распыливания водных огнетушащих веществ центробежными форсунками....

102

3.2.4.

Проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований..................

111

3.3.

Теоретические исследования процесса тепломассообмена при распыливании воды в газовоздушной среде аварийного помещения........................................................................................

112

3.4.

Экспериментальные исследования изменения среднеобъемной температуры газовоздушной среды аварийного помещения и тушения очагов пожара при использовании системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом ..

125

3.5.

Выводы по разделу 3...

145

РАЗДЕЛ 4

Исследования ингибирующей и огнетушащей эффективности морской воды и водных огнетушащих веществ на ее основе.

148

4.1.

Исследование ингибирующей эффективности морской воды и водных огнетушащих веществ, содержащих неорганические соли ингибиторы горения....

148

4.2.

Исследование огнетушащей эффективности морской воды и водных огнетушащих веществ на ее основе.

155

4.3.

Выводы по разделу 4...

163

РАЗДЕЛ 5

Разработка метода расчета системы тушения пожаров в судовых помещениях водными огнетушащими веществами объемным способом и технических требований к ее проектированию...........

164

5.1.

Выбор типа распылителя и расчет его конструктивных параметров.............................................................................................

165

5.2.

Графоаналитический метод расчета блоков распыливания системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом..........

170

5.3.

Гидравлический расчет системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом...............

173

5.4.

Технические требования к системе тушения тонкораспыленными водными огнетушащими веществами объемным способом в судовых помещениях............................................................

174

5.5.

Расчет экономического эффекта от внедрения результатов исследований........

178

5.5.1.

Расчет годового экономического эффекта от внедрения системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом в закрытых судовых помещениях.........

178

5.5.2.

Расчет годового экономического эффекта от использования системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом при подготовке экипажей судов по борьбе с пожаром на тренажере....................................................................

180

5.6.

Выводы по разделу 5...

182

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......

183

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...

186

ПРИЛОЖЕНИЯ.

201

Приложение А

Программа расчета параметров центробежных форсунок и факелов распыливания водных огнетушащих веществ.......

202

Приложение Б

База данных параметров центробежных форсунок и факелов распыливания водных огнетушащих веществ...

207

Приложение В

Программа расчета изменения параметров газовоздушной среды при тонком распыливании водных огнетушащих веществ в закрытом объеме............

227

Приложение Г

Акты внедрения результатов диссертационных исследований...............................................................................

250

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью государственной деятельности по охране жизни и здоровья людей, национального богатства и окружающей среды является обеспечение пожарной безопасности [1]. Важнейшей стороной этой деятельности является обеспечение пожарной безопасности на морском и речном транспорте. Анализ статистики аварий судов [2 17] показывает, что в 35 % случаев они связаны с пожарами и взрывами. По количеству эти аварии занимают второе место после навигационных. Это свидетельствует о недостаточной эффективности предусмотренных проектной документацией систем газового, водяного и водопенного пожаротушения, используемых на судах [18 22].
Вода является наиболее доступным и распространенным огнетушащим веществом, широко применяемым на судах для тушения пожаров как на верхней палубе и надстройках судна, так и в их помещениях [3, 11, 19]. В то же время применение воды, регламентированное современной нормативной и методической базами в существующих спринклерных и дренчерних установках водного пожаротушения, а также в виде компактных и распыленных струй, приводит к выводу из строя оборудвания, приборов, затоплению помещений, потере остойчивости и плавучести судов. Показательным примером является случай большого пожара, который произошел на сухогрузе ”Гесс” в январе 2003 года. Ввиду отсутствия эффективных противопожарных систем экипаж судна не справился с пожаром и покинул его. Тушение осуществлялось с судов-спасателей. Во время тушения в аварийные помещения подавалась вода в виде компактных и распыленных струй на протяжении 70 часов. Чтобы предотвратить затопление судна, оно было посажено на мель, трюма были заполнены водой. Вследствие пожара и примененной технологии его тушения причинен огромный материальный ущерб, а перевозимый груз был уничтожен.
Достаточно эффективные и экологически безопасные технологии пожаротушения тонкораспыленными водными огнетушащими веществами все больше применяются на объектах различного назначения [23 - 32]. К сожалению, они еще не приобрели распространения в системах противопожарной защиты судов Украины. Это обусловлено отсутствием соответствующих технических требований и методов расчета таких систем, вследствие недостаточного уровня знаний относительно особенностей процессов взаимодействия распыленных в объеме судовых помещений водных огнетушащих веществ с газовоздушной средой во время возникновения в них пожара. В этой связи раскрытие особенностей процессов тепломассообмена и тушения пожара в закрытом пространстве судового помещения при подаче в его объем тонкораспыленных водных огнетушащих веществ является актуальной задачей, решение которой позволит обосновать необходимые условия тушения, повысить безопасность людей и эффективность противопожарной защиты таких объектов.
Диссертационная работа выполнена в рамках „Национальной программы обеспечения пожарной безопасности на 19952000 гг.”, утвержденной Постановлением Кабинета Министров Украины от 03.04.95 г., № 238, „Программы обеспечения пожарной безопасности в Украине на период до 2010 г.”, утвержденной Постановлением Кабинета Министров Украины от 01.07.02 г., № 870, а также в соответствии с научно-исследовательской работой „Пожежа К”, которая выполнялась по плану научно-исследовательских работ Военно-морских Сил Вооруженных Сил Украины на 2002 год.
Идея работы состоит в повышении эффективности противопожарной защиты судовых помещений путем одновременной реализации охлаждающего, ингибирующего и флегматизирующего эффектов при применении технологии тонкого распыливания экологически безопасных ВОВ в свободном объеме их закрытого пространства.
Целью работы являлось раскрытие особенностей взаимодействия капель тонкодисперсных ВОВ, распределенных в свободном объеме закрытого пространства, с ГВС, а также определение необходимых условий и параметров их подачи для проведения расчетов систем противопожарной защиты, которые обеспечивают эффективное тушение пожаров в закрытых объемах судовых помещений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести анализ статистики аварий, эффективности работы существующих систем противопожарной защиты судов, а также тушения пожаров тонкораспыленными ВОВ;
- разработать способ равномерного заполнения всего объема закрытого помещения тонкораспыленными ВОВ заданной дисперсности;
- разработать математическую модель распыливания и распределения капель с дисперсностью в диапазоне от 50 до 300 мкм в закрытом объеме помещения в зависимости от основных параметров распылителей, давления перед ними и физических характеристик ВОВ для теоретического обоснования наиболее целесообразных параметров, экспериментально подтвердить эффективность их применения;
- разработать математическую модель тепломассообмена между каплями ВОВ с дисперсностью в диапазоне от 50 до 300 мкм и ГВС закрытого помещения с учетом выделения тепла из очага пожара, провести теоретические расчеты и экспериментально определить наиболее целесообразный средний диаметр капель, а также интенсивность и продолжительность подачи тонкораспыленных ВОВ, при которых достигается эффективное тушение пожара в свободном объеме закрытого помещения судна;
- провести экспериментальные исследования ингибирующей и огнетушащей эффективности тонкораспыленных морской и пресной воды, а также ВОВ на их основе с добавками неорганических солей ингибиторов горения;
- разработать технические требования и метод расчета систем пожаротушения с применением тонкораспыленных ВОВ.
Объектом исследований являлись процессы тепломассообмена и тушения пожара в закрытом объеме судового помещения при подаче в него тонкораспыленных водных огнетушащих веществ.
Предметом исследований было определение влияния химического состава, дисперсности капель и параметров подачи тонкораспыленных водных огнетушащих веществ на динамику изменения температуры газовоздушной среды и эффективность тушения ими пожаров в объемах закрытых судовых помещений.
В работе использован комплексный метод исследований, который включал: анализ и обобщение научно-технических достижений по вопросу тушения пожаров распыленными ВОВ по литературным данным; имитационное моделирование с разработкой и использованием компьютерных программ расчета математических моделей методом Рунге-Кута; оптический метод измерения дисперсности капель ВОВ; метод измерения температуры ГВС с применением термопар; метод оптической спектроскопии измерения интенсивности излучения ОН-радикалов пламени под действием ВОВ; натурные огневые испытания с использованием макетных очагов пожара класса В при применении поверхностного и объемного способов их тушения; методы математической статистики для проверки достоверности полученных результатов.
Научная новизна полученных результатов и научное значение работы состоят в раскрытии особенностей взаимодействия капель тонкодисперсных ВОВ, распределенных в объеме закрытого пространства, с ГВС, а также в определении необходимых условий и параметров их подачи для проведения расчетов систем противопожарной защиты, которые обеспечивают эффективное тушение пожаров в закрытых судовых помещениях. При этом:
- впервые разработан способ заполнения свободного пространства закрытого судового помещения каплями распыленного ВОВ с помощью блоков форсунок центробежного типа, сориентированных по факелу горизонтального распыливания, защищенный патентом Украины;
- впервые с применением разработанной математической модели и компьютерной программы ее численного решения рассчитано и экспериментально подтверждено проведенными натурными огневыми испытаниями в закрытом помещении объемом 93,5 м3 эффективное тушение макетных очагов пожара класса В объемно распыливаемой водой со средним диаметром капель 140 мкм при интенсивности подачи 0,016 кг/(м3×с) за время тушения не превышающее 60 с, при снижении среднеобъемной температура ГВС с 473 К до 310 К;
- впервые с применением метода оптической спектроскопии по измерению интенсивности излучения ОН-радикалов пламени исследована ингибирующая, а натурными огневыми испытаниями - огнетушащая эффективность тонкораспыленных пресной и морской воды, а также растворов хлоридов натрия и калия, нитрата калия на их основе в зависимости от их концентрации. Установлено, что для исследованных ВОВ в условиях испытаний ряд эффективности имеет вид:

20 % NaCl > 20 % KCl > 20 % KNO3 > 15 % NaCl > 15 % KCl > 15 % KNO3 > > 10 % NaCl > 10 % KCl > 10 % KNO3 > морская вода > пресная вода;

- впервые теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснованы основные технические требования и метод расчета к проектированию системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом (СТВОВОС) закрытых судовых помещений, а именно: средний диаметр капель ВОВ должен быть в пределах от 100 до 150 мкм, интенсивность подачи ВОВ не менее 0,032 кг/(м3×с), минимальная продолжительность подачи 120 с. В качестве ВОВ можно применять пресную, морскую воду и на их основе растворы хлоридов калия и натрия, нитрата калия с концентрацией не выше 20 %.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке технических требований и метода расчета тренажера, который создан и эксплуатируется на протяжении года на пожарном полигоне Севастопольского ВМИ им. П.С. Нахимова для подготовки экипажей судов по учебному курсу борьбы за живучесть судов при пожарах. На стенде обеспечиваются максимально приближенные к реальным процессы возникновения и развития пожара в закрытом судовом помещении объемом 93,5 м3, которое имитирует энергетический отсек судна, и процессы тушения с применением технологии тонкого распыливания ВОВ (приложение Г). На основе результатов диссертационных исследований обоснованы современные требования к обеспечению противопожарной защиты кораблей ВМС ВС Украины в части применения на этих объектах технологий пожаротушения экологически безопасными тонкораспыленными ВОВ, которые были разработаны Научным центром ВМС ВС Украины в соответствующих рекомендациях (приложение Г).
Личный вклад соискателя состоит в получении научных результатов, изложенных в диссертации и в научных трудах. В работах, которые опубликованы в соавторстве, личный вклад соискателя состоит в разработке способа заполнения свободного объема закрытого судового помещения каплями распыливаемого ВОВ с помощью блоков специальных форсунок центробежного типа, сориентированных по факелу горизонтального распыливания [33], в определении особенностей использования СТВОВОС в закрытых помещениях [34], в разработке математической модели процессов тепломассообмена между каплями разной дисперсности распыливаемого ВОВ и ГВС с учетом изменения тепловыделения из очага пожара [35], в разработке метода расчета СТВОВОС для закрытых помещений судов [36], в определении ингибирующей эффективности пресной и морской воды, а также растворов хлоридов калия и натрия, нитрата калия на их основе [37].
Основные результаты диссертационных исследований докладывались на:
- V Международной научно-технической конференции "Проблемы охраны труда и техногеноэкологической безопасности" (Севастополь, 1997);
- научно-технической конференции "Проблемы судостроения и судоремонта" (Севастополь, 1997);
- VII Международной научно-технической конференции "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" (Севастополь, 1998);
- I научно-технической конференции "Проблемы строительства и развития ВМС Украины" (Севастополь, 1998);
- Международной научно-технической конференции, посвященной 55-летию ЦКБ «Черноморец», «Перспективные пути развития судостроения в 21 веке» (Севастополь, 2002);
- Международной научно-практической конференции «Проблеми пожежної безпеки. Ліквідація аварій і їхніх наслідків» (Донецк, 2002).
Публикации: по результатам исследований опубликовано 14 научных работ, из них 7 статей, которые вышли в изданиях, включенных в перечень ВАК Украины, и тезисы 6 докладов на научно-практических конференциях, а также 1 патент Украины.
Диссертационная работа состоит из вступления, пяти разделов, общих выводов, списка использованных литературных источников из 155 наименований, 4 приложений, содержит 191 страницу печатного текста, 44 иллюстрации, 33 таблицы.

bibliography

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации представлены теоретический анализ и новое решение научной задачи обоснования условий эффективного тушения пожаров в закрытых помещениях судов за счет применения в системах их противопожарной защиты технологии тонкого распыливания водных огнетушащих веществ.
Основные выводы по диссертации:
1. Проведенный по литературным данным анализ статистики аварий, а также существующих систем противопожарной защиты судов показал недостаточную эффективность работы установок газового, водного и водопенного пожаротушения, предусмотренных проектной документацией. Низкая эффективность этих установок обусловлена реализацией лишь одного, реже двух эффектов воздействия огнетушащих веществ на пламя и газовоздушную среду, в частности охлаждающего для воды, изолирующего и охлаждающего для пены, а также ингибирующего и флегматизирующего для газовых огнетушащих веществ. Для повышения эффективности тушения пожаров в судовых помещениях предлагается применение технологии тонкого распыливания и распределения в свободных объемах помещений водных огнетушащих веществ с реализацией комбинированного проявления охлаждающего, ингибирующего и флегматизирующего эффектов.
2. Разработан и запатентован в Украине способ заполнения свободного пространства закрытого судового помещения каплями распыливаемогог водного огнетушащего вещества с помощью блоков специальных форсунок центробежного типа, ориентированных по факелу горизонтального распыливания.
3. Разработана математическая модель распыливания и распределения в объеме закрытого помещения капель водных огнетушащих веществ, распыленных центробежными форсунками, в виде системы дифференциальных уравнений, а также компьютерная программа с применением метода Рунге-Кута четвертого порядка, которая позволяет рассчитывать дисперсность капель, геометрические параметры факела распыливания и концентрацию водных огнетушащих веществ в газовоздушной среде помещения в зависимости от основных параметров форсунок, давления перед ними и физических характеристик водных огнетушащих веществ. Адекватность модели подтверждена экспериментальными данными по критерию Фишера. Определено, что при давлении перед форсунками в пределах от 0,8 до 3,0 МПа, значениях корневого угла распыливания в диапазоне от 10 до 100 градусов, диаметре выходного сопла форсунки в пределах от 0,4 до 0,7 мм генерируются факелы распыливания водных огнетушащих веществ со средним диаметром капель в диапазоне от 100 до 300 мкм.
4. Разработана математическая модель, представляющая систему дифференциальных уравнений, которая описывает процесс тепломассообмена между каплями разной дисперсности распыленного водного огнетушащего вещества и газовоздушной среды с учетом изменения тепловыделения из очага пожара. Предложенная компьютерная программа численного решения модели с применением метода Рунге-Кута четвертого порядка позволяет рассчитывать среднеобъемную температуру и количество водяного пара в газовоздушной среде свободного объема закрытого помещения, а также объемную концентрацию водного огнетушащего вещества в зависимости от дисперсности его капель, интенсивности и продолжительности подачи водного огнетушащего вещества. Адекватность модели подтверждена экспериментальными данными по критерию Фишера. Рассчитано и экспериментально подтверждено натурными огневыми испытаниями эффективное тушение макетных очагов пожара класса В в закрытом помещении объемом 93,5 м3 с применением воды со средним диаметром капель 140 мкм при интенсивности подачи 0,016 кг/(м3×с). Тушение достигается за промежуток времени, который не превышает 60 с, при этом среднеобъемная температура газовоздушной среды снижается с 473 К до 310 К.
5. С применением метода оптической спектроскопии измерения интенсивности излучения ОН-радикалов пламени исследована ингибирующая эффективность, а натурными огневыми испытаниями - огнегасящая эффективность тонкораспыленных пресной и морской воды, а также растворов хлоридов натрия и калия, нитрата калия на их основе в зависимости от концентрации. Установлено, что для исследованных водных огнетушащих веществ ряд эффективности имеет вид:
20 % NaCl > 20 % KCl > 20 % KNO3 > 15 % NaCl > 15 % KCl > 15 % KNO3 >
> 10 % NaCl > 10% KCl > 10 % KNO3 > морская вода > пресная вода.
6. На основании проведенных исследований разработаны основные технические требования к проектированию системы тушения водными огнетушащими веществами объемным способом, а именно: средний диаметр капель водного огнетушащего вещества должен быть в пределах от 100 до 150 мкм, интенсивность подачи его не менее 0,032 кг/(м3×с), минимальная продолжительность подачи 120 с. В качестве водных огнетушащих веществ возможно применение пресной, морской воды, растворов хлоридов калия и натрия, нитрата калия на их основе с концентрацией не выше 20 %. Для распыливания водных огнетушащих веществ предусматривается применение блоков форсунок центробежного типа с диаметром сопла в пределах от 0,4 до 0,7 мм. Для расчета блоков этих форсунок предложен графоаналитический метод, на основании которого выполняется метод расчета систем пожаротушения для закрытых судовых помещений с применением технологии тонкого распыливания водных огнетушащих веществ. Этот метод апробирован при создании тренажера для отработки действий экипажей судов и курсантов при борьбе с пожарами в судовых помещениях.