книги / Пожарная автоматика, управление и связь

Также известно оборудование серий Polydos и Grundfos, предлагающих широкий спектр дозирующего оборудования

(рис. 2.10).

Схема функциональных узлов Polydos 412 показана на рис. 2.11.

Рис. 2.10. Общий вид установок Polydos серии 400

Рис. 2.11. Схема функциональных узлов Polydos-412: 1 – трехкамерный резервуар; 2 – система подачи сухого материала; 3 – электрическая мешалка; 3a – электрическая мешалка – (дополнительно); 4 – ультразвуковой датчик уровня; 5 – система подачи воды; 6 – панель управления

52

2.4.АЭРОЗОЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2.4.1.Аэрозольные огнетушащие составы

Для решения задач пожаротушения традиционно применялись материалоёмкие централизованные автоматические установки водяного, пенного и газового тушения пожаров. В связи

спотерей единого экономического пространства комплектация таких систем стала проблематичной. По комплексу причин в настоящее время в России широкое распространение получают активные автономные системы пожаротушения, в том числе

сиспользованием твёрдого топлива. Характерным признаком таких установок является малая их капиталоёмкость и большая́ эффективность пожаротушения по сравнению с традиционными огнетушащими веществами. Это отдельный класс аварийных систем на твёрдом топливе.

Новое интенсивное развитие средств аэрозольного пожаротушения на основе фундаментальных исследований в области специальной технической химии и теории горения началось в СССР

20–25 лет назад и продолжается в России до сих пор. При аэро-

зольном способе тушения во многом реализуются элементы способа тушения огнетушащими порошками. Рассматривая физикохимические механизмы, которые лежат в основе процесса тушения пламени кристаллическими частицами, можно выделить три основныхфазы:

–гетерогенное ингибирование реакций горения за счёт взаимодействия активных частиц пламени типа Н, О, ОН с дефектами (F-центрами) кристаллической поверхности или с химической пассивной «стенкой» (в последнем случае говорят об особом «эффекте огнепреграждения»);

–охлаждение зоны горения за счёт нагревания и разложения (испарения) твёрдых частиц;

–гомогенное ингибирование реакций горения продуктами разложения (испарения) твёрдых частиц.

53

Каждый из трёх названных факторов является сложным суммарным процессом ряда более элементарных стадий. При этом они не просто дополняют друг друга, но находятся в сложной взаимозависимости. Так, гетерогенное ингибирование есть сочетание таких факторов, как охлаждение реакционной зоны, эмиссия вещества порошковой зоны в зону горения, дезактивация активных частиц пламени (АЧП). Последняя стадия также состоит из составляющих: адсорбция – рекомбинация – десорбция.

Установлено, что коэффициент гетерогенного ингибирования для солей, применяемых в качестве основы огнетушащих порошков, не является константой и не может служить для количественной характеристики их эффективности, так как сильно зависит от свойств кристалла. Поверхности порошковых частиц разного химического состава участвуют в акте гетерогенного ингибирования по совершенно различным механизмам. Если для солей NaCl и КСl это «чистая хемосорбция», то гидрокарбонаты и особенно бикарбонаты потоком атомарного водорода подвергаются деструкции по схеме

NaHCO3 + H → Na + H2O + CO2.

На поверхности фосфатов протекает окислительно-восста- новительная реакция

Р+5 → Р+3 → Р+5.

В случае SiO2 образуется радикальный центр SiO2, способствующий разветвлению цепей, а не их обрыву. Именно поэтому тонкоизмельчённый песок не гасит пламя.

Так называемый «эффект огнепреграждения» как отдельный самостоятельный эффект, строго говоря, не существует. Под ним подразумевается гетерогенное ингибирование, в котором сетка, кольца или порошковое облако играют роль «третьей частицы», необходимой для аккомодации энергии налетающих АЧП, без чего реакция рекомбинации типа Н + Н → Н2 невозможна. При этом энергия активной частицы пламени очень мала

54

(порядка десятков и сотен электрон-вольт) в сравнении с массой сетки или порошка и не может привести к заметному нагреванию «сетки», а охлаждение очага достигается в результате не увеличения теплоотвода, а резкого уменьшения теплоприхода из-за мгновенной гетерогенной тепловой гибели большого количества АЧП одновременно по всему объёму очага и как следствие прерывания цепных реакций горения.

При этом нагревание порошковой частицы происходит не только за счёт конвекции и радиации, но и за счёт отбора кинетической энергии налетающей частицы из АЧП (Н или О) в акте гетерогенного ингибирования. При 30–40 % разложения объёмной огнетушащей дозы фосфорно-аммонийного порошка ( 100 г/м3) поглощается около 40 кДж тепла, в то время как при сгорании 1 м3 10 % метановоздушной смеси выделяется 400 кДж – в десять раз больше, т.е. механизм теплоотвода составляет всего 10 %. Необходимо отметить, что все процессы в пламени неравновесные и оценивать их следует не по термодинамическим параметрам, а по кинетическим. Так, полное теплопоглощение при разложении 1 г NaHCO3 составляет 1,8 кДж, а (NH4)2SO4 – 4,5 кДж, т.е. в 2,5 раза выше, однако скорость разложения бикарбоната в 500 раз больше. Именно этот кинетический фактор

иопределяет высокие огнетушащие свойства гидрокарбонатов.

Сфактором нагревания и разложения (испарения) порошковых частиц тесно связан эффект гомогенного ингибирования, который обусловлен поступлением в газовую фазу молекул (или «осколков») порошкообразных частиц. Таких источников три:

– термическое испарение или разложение;

– эмиссия поверхностных атомов;

– разрушение поверхности при воздействии атомарного водорода.

В газовой фазе реакция рекомбинации типа Н + Н → Н2 не протекает без участия третьей частицы («стенки»). Поэтому гомогенное ингибирование протекает в основном в прямых газофазных реакциях АЧП + «осколок» порошковой частицы

55

NaH2 + H → NH + H2, а реакции типа Н + Н → Н2 могут протекать лишь при условии, что одна из частиц водорода адсорбирована поверхностью частицы огнетушащего порошка. На кристаллической поверхности частиц не имеет места адсорбция молекул H2, О2, СН4, и не протекают реакции разветвления цепей типа О2 + Н → О + ОН, предпочтительнее реакции рекомбинации типа (Н)адс + Н → Н2 с десорбцией продуктов Н2. Таким образом, все возможные реакции как гомогенного, так и гетерогенного ингибирования могут быть чётко разделены на возможные и маловероятные в процессе тушения пожаров.

В настоящее время в ходе комплексных эксперименталь- но-теоретических исследований на основе базисных положений порошкового пожаротушения изучены процессы образования аэрозольных огнетушащих смесей, их физико-химические свойства и закономерности взаимодействия с углеводородным пламенем. Рассмотрены отдельно и во взаимосвязи закономерности влияния процессов аэрозолеобразования, в том числе выжигание кислорода воздухом и разбавление среды инертными компонентами. Проведена оценка теплопоглощающей и ингибирующей способности аэрозольных смесей и их компонентов.

Обобщение и анализ имеющихся данных показывает, что суммарное ингибирующее действие аэрозоля является сочетанием тепловых факторов воздействия на пламя: фазовые переходы, нагрев и т.д., и собственно гетерогенного ингибирования радикалов, генерируемых пламенем. Эти факторы скорее всего дополняются ещё одним – эффектом взаимодействия.

Механизм воздействия аэрозоля на пламя заключается в эффекте ингибирования.

Если не учитывать отбор тепла на нагрев и фазовые переходы частиц аэрозоля, то общее количество выделенного тепла в пламени практически не меняется. Происходит только его перераспределение, в результате которого градиент температуры и её максимальное значение в пламени уменьшается. Это ведёт к падению скорости распространения пламени и как следствие

56

его отрыву и уносу парами горючего, испарение которого более инерционно и не успевает подстроиться под изменение скорости реакции в газовой фазе.

Гашение пламени при росте в нём концентрации аэрозоля, таким образом, происходит в три стадии. На первой стадии область пламени заметно сужается, и в нём начинает выделяться более яркая внутренняя часть. Затем в основании пламени появляется тёмная зона, наиболее удалённые от основания части которой начинают вращаться в горизонтальной плоскости, изгибая пламя и как бы его закручивая. В определённый момент происходит окончательный унос пламени, и оно уже не возникает вновь.

К настоящему времени разработано и продолжает разрабатываться значительное количество аэрозольобразующих огнетушащих составов. При рассмотрении составов целесообразно сгруппировывать их в зависимости от технологии изготовления. В промышленном производстве твёрдых топлив используются следующие основные технологические схемы:

–пиротехнического производства;

–производства пироксилиновых, баллиститных и двухосновных топлив на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной растворителем (нитроглицерином);

–производства смесевых твёрдых топлив с применением полимерного горючесвязующего.

Исторически вначале разрабатывались пиротехнические аэрозольобразующие композиции. В ходе исследований было установлено, что наиболее высокой огнетушащей способностью обладают пиротехнические составы на основе фосфора. Однако оказалось, что вследствие высокой температуры их горения, сильного коррозионного воздействия продуктов сгорания и их токсичности широкое использование этих составов для целей пожаротушения не представляется возможным. Поэтому разработаны рецептуры на основе нитратов, хлоратов, перхлоратов щелочных и щелочноземельных металлов с различными органическими соединениями. При горении данных составов обра-

57

зуется аэрозоль, состоящий из инертных газов и ультрадисперсных твёрдых частиц химически активных соединений с развитой поверхностью, обладающих высоким ингибирующим действием на процессы горения органических веществ в кислороде воздуха. Конденсированная фаза аэрозоля в основном состоит из частиц оксида, гидроксида и солей калия размером от 0,5 до 4,0 мкм, а газовая фаза из азота, диоксида углерода и паров воды. Пожаротушащий эффект таких композиций основан на ингибирующем, флегматизирующем, охлаждающем и кислородосвязывающем механизмах действия.

Испытания пиротехнических аэрозольобразующих составов показали, что при сгорании образуется аэрозоль, обладающий по сравнению с хладонами следующими преимуществами: не имеет озоноразрушающего эффекта; не оказывает коррозионного воздействия на металлические и неметаллические конструкционные материалы, лакокрасочные покрытия и эмали, декоративную отделку помещений; не оказывает воздействия на электрические приборы и электронное оборудование и т.д. Огнетушащая концентрация пиротехнических составов примерно в четыре раза выше, чем у хладона 114В2 и составляет 20–80 г/м3, температура горения 800–1000 °С, дымообразующая способность 95–98 %, газопроизводительность 0,32–0,34 л/г. Химический анализ дисперсной фазы, например, состава СТК 51-35-1 составляет: К2СО3·1,5Н2О – 52,7 %, NН4НСО3 – 25,7 %, КНСО3 – 8,2 %, КNО2 – 7,9 %, другие соединения калия – 5,5 %.

Огнетушащая способность аэрозоля АОС является важнейшим физико-химическим показателем эффективности средств аэрозольного пожаротушения и определяется комплексом свойств исходного заряда АОС и выделяемого при его горении твёрдофазного аэрозоля, которые обеспечивают огнетушащее действие на очаг пожара, а также конструкций генератора. Она характеризуется отношением массы сгораемого в генераторе заряда к единице объёма, при котором обеспечивается тушение модельных очагов пожара. На практике необходимо обеспечивать

58

нормативную величину удельного огнетушащего расхода, которая характеризует огнетушащую способность аэрозоля, получаемого из генератора конкретного типа в крупномасштабных испытаниях в условно-герметичном объёме при нормальных исходных условиях. Номинальная величина расхода используется далее при расчётах требуемого количества установок пожаротушения для защищаемого объёма.

2.4.2. Стационарные генераторы огнетушащего аэрозоля

На сегодняшний день существует множество схем конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля.

По аналогии с ракетными двигателями твердого топлива и газогенераторами в устройствах огнетушащего аэрозоля аэрозолеобразующий заряд может быть бесканальный и канальный, как правило, с центральным каналом. Выходным отверстием может служить щель (одна или несколько, как, например, в генераторах ГОА-15 фирмы «Интертехнолог») на боковой поверхности корпуса.

Отношение площади критического сечения сопла к площади свободного прохода камеры сгорания не должно превышать 0,6, что позволяет улучшить условия распространения аэрозоля при сохранении огнетушащей способности взвешенных в газе частиц, так как в этом случае исключается потеря активности частиц внутри устройства вследствие взаимодействия со стенкой и коагуляции.

Известны конструкции генераторов, в которых аэрозоль пропускается через слой насыпного теплопоглотителя, при этом аэрозоль проходит через теплопоглотительную насадку. В качестве теплопоглотителя может применяться измельченные металл, стекло, керамика, гравий и т.д. или их смесь, а также полимерный материал с ориентированными выходами для продуктов сгорания, например, в виде трубочек, собранных в пучок, в виде моно-

59

блока с отверстиями. Для повышения эффективности генератора в нижний слой теплопоглотительной насадки могут дополнительно вводиться активные компоненты в виде гранул, резаных пластинок или шнура из аэрозольобразующего компонента.

В настоящее время выпускаются несколько типов генераторов огнетушащего аэрозоля различного назначения. Разработкой и производством генераторов в России занимается более 11 организаций. Разработаны и прошли различные стадии отработки около 80 модификаций генераторов. Рассмотрим характеристики и особенности наиболее распространенных из них.

ОКБ «Темп» на основе состава ПТ–50–2 разработало и выпускает генераторы типа ОГ–517 «АГАТ», в том числе для защиты помещений с взрывоопасной средой. Эти генераторы выпускаются нескольких модификаций, отличающихся массой заряда аэрозолеобразующего состава (от 2,5 до 9,0 кг), устройством запуска (в «АГАТ-3» предусмотрен и ручной запуск) и наличием устройства температуропонижения («АГАТ-2») (рис. 2.12).

Фирма «Норд» (г. Пермь) выпускает генераторы типа «ОСА» и «ОСА-М» (рис. 2.13) с отсутствием пламени и достаточно низкой температурой аэрозоля на выходе генератора

(менее 500 °С).

Одним из препятствий для широкого применения систем пожаротушения на основе аэрозолей являлось наличие пламени при работе генератора и высокий уровень температуры продук-

60