2015-04-30
5663
Вода – одно из самых древних, дешевых, широко распространенных и эффективных огнетушащих веществ, используемых для пожаротушения. Найти более дешевое, доступное, восполняемое и экологически чистое огнетушащее вещество, чем вода, практически невозможно.
Однако использование воды при тушении пожаров имеет один существенный недостаток, который в последние годы все чаще вызывает претензии к пожарным, – большие проливы воды. Нередкопроблемы из-за больших проливов воды возникают при тушении жилых и административных зданий. Связано это с тем, что большинство современных технических средств пожарной охраны позволяют использовать непосредственно на тушение очага пожара только 5–10 % поданной воды. Фактически 90–95 % воды при этом можно считать излишне пролитой, ущерб от которой гораздо больше, чем от пожара. Поэтому одна из основных задач,которая стоит в настоящее время перед наукой и производителями пожарной техники, – создание такой техники, которая позволит повысить эффективность использования воды при тушении пожаров, уменьшить проливы воды.
|
|
|
При решении этой задачи большинство отечественных и зарубежных производителей пожарной техники пошли по пути улучшения огнетушащих свойств воды за счет применения на пожарных автомобилях насосов высокого давления (более 10 атм) и последующего получения за счет высокого давления воды струй мелкого распыла. Струи воды мелкого распыла, как правило, называют струями тонкораспыленной воды (ТРВ).
Все большее количество пожарных автоцистерн отечественного производства оснащаются насосами высокого давления моделей НЦПВ-4/400, НЦПВ-20/200 или НЦПК-40/100-4/400. Разработаны и производятся пожарные автомобили первой помощи, успех использования которых целиком зависит от применения при тушении пожара ТРВ, так как эти автомобили вывозят всего 500–800 л воды. При установке насосов высокого давления струи ТРВ получают при использовании специальных стволов СРВД-2/300, поставляемых в комплекте с рукавными катушками моделей СРВДК-2/400-60 и СРВДК-2/400-90.
Применение ТРВ позволило сократить расход воды на тушение
пожара, уменьшить количество излишне пролитой воды. Однако при использовании ТРВ имеются следующие недостатки:
– возможность засора проточных частей стволов для подачи ТРВ;
– быстрое промерзание технических средств для подачи ТРВ при отрицательных температурах, особенно при кратковременном перекрытии стволов;
– необходимость расположения позиций ствольщиков вблизи места горения ввиду ограниченной дальности струи воды. Рукавные линии для подачи ТРВ имеют ограниченную длину 60–90 м. Это связано с большими гидравлическими сопротивлениями рукавов, имеющих диаметр до 25 мм;
|
|
|
– обеспечение большой скорости струи для подачи ТРВ (от 100
до 200 м/с) из-за малого размера капель приводит к интенсивной подаче
в очаг пожара воздуха, инжектируемого струей. Вследствие этого при недостаточной интенсивности или подаче огнетушащего вещества мимо очага пожара может произойти не тушение пожара, а увеличение интенсивности горения.
При тушении ТРВ не образуется устойчивого, всепроникающего, обеспечивающего объемное пожаротушение «водяного тумана» (используется также термин объемно-локальное пожаротушение). Капли струи ТРВ, полученные за счет механического дробления воды, быстро сливаются, образуя более крупные капли, или оседают; при попадании на стены или другие препятствия стекают по ним, при этом не образуется «водянойтуман» с необходимой для прекращения горения концентрацией. По данным экспериментов, даже при размере капель ТРВ, полученных за счет механического дробления воды, менее 30 мкм (капли воды с такими диаметрами витают в воздухе) не удается обеспечить устойчивый «водяной туман».
Необходимо отметить, что для получения «водяного тумана» в зарубежных и отечественных установках используются либо большое давление (например, в пожарном автомобиле «Гюрза» и установке «Кобра» используется давление 300–400 атм), либо газодинамический способ дробления капель и химически подготовленная вода, очищенная от механических примесей и растворимых в воде солей (например, в ранцевых огнетушителях ТРВ «Игла»), либо специально сконструированные распылители.
Но даже при использовании специально подготовленной воды (фактически дистиллированной) распылители установок высокого давления имеют очень малые площади сечений проточных каналов и поэтому склонны
к засорению или замерзанию в зимнее время.
Исследованиями, проведенными учеными Академии ГПС МЧС России профессором Роенко В.В. и доцентом Пряничниковым А.В., доказано, что возможно и другое, принципиально новое, техническое решение по улучшению огнетушащих свойств воды, которое не имеет перечисленных недостатков получения ТРВ,– улучшение огнетушащих свойств воды за счет ее температурной активации. При реализации этого направления удается одновременно добиться как улучшения текучести воды без использования добавок, так и уменьшения размера капель воды до 0,1–10 мкм без увеличения давления перед пожарным стволом более 12–16 атм и без использования пожарных стволов со сложными, дорогостоящими и профилированными насадками с минимальной площадью сечений проточных каналов (диаметр проточных частей стволов для подачи этого огнетушащего вещества составляет от 4,8 до 7,0 мм).
Термин «температурно-активированная вода» (ТАВ) был впервые введен учеными Академии ГПС МЧС России в 2005 г. Новый термин ТАВ предлагается использовать для воды, полученной в установке, где вода приобретает уникальные свойства, аналогичные тем, которые в природе вода приобретает в поровых породах при высоких температурах и давлениях. Сущность разработанного способа получения уникальных свойств ТАВ заключается в том, что пресная вода вследствие ее нагревания в специальном теплообменнике при определенном сочетании температуры
(более 165 °С) и давления (более 1,6 МПа) изменяет свои свойства. После возвращения к обычным атмосферным условиям такая вода находится
некоторое время в особом, так называемом метастабильном,состоянии, проявляющемся в повышенной растворяющей способности карбонатов, сульфатов, силикатов и других соединений, в способности длительно удерживать в своем составе аномальное количество растворенного
вещества (больше в 300–500 раз) и значительно повышать кислотность.
В работе академика Ф.А. Летникова такая вода названа активированной,
а сам процесс – температурной активацией.
|
|
|
В разработанной пожарной технике получение ТАВ (рис. 12.36)
сводится к подаче воды под большим давлением (от 1,6 до 10,0 МПа)
в прямоточный водотрубный теплообменник. В теплообменнике вода сначала нагревается до температуры 160–280 °С (такую воду принято называть недогретой, поскольку температура жидкости меньше температуры насыщения при заданном давлении), затем недогретая вода по рукавным линиям или металлическим трубопроводам подается к стволам-распылителям, где она за считанные доли секунды (10–4–10–9 с) переходит в метастабильное состояние. В результате последующего взрывного вскипания образуются струи ТАВ с размером капель от 0,1 до 10 мкм, которые по своим свойствам близки к теплым туманам и облакам. Таким образом, ТАВ – парокапельная смесь, полученная в результате мгновенного перехода недогретой воды в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания.
| Установка пожаротушения температурно-активированной водой |
| Теплообменник |
| Горелка |
| Ствол |
| Рукав |
| 4 |
| 5 |
| 3 |
| 2 |
| 1 |
| Емкость |
| Насос |
Рис. 12.36. Получение температурно-активированной воды:
1–5 – участки температурной активации воды, соответствующие параметрам,
представленным в табл. 12.11
Таблица 12.11
| Участки температурной активации воды | Параметры воды | Состояние | Время τ,с | |
| Температура t,°С | Давление P,МПа | |||
| 1 | 4–60 | ≤ 0,01 | Вода | 1–3 |
| 2 | 4–60 | 1,6–10,0 | Вода | 3–5 |
| 3 | 160–280 | 1,3–8,0 | Недогретая вода | 40–60 |
| 4 | 160–280 | 0,6–1,9 | Перегретая вода | 10–4–10–9 |
| 5 | ≤ 60 | ≤ 0,01 | ТАВ | 300–1800 |
Физическую сущность получения струй ТАВ можно уяснить при анализе диаграмм фазовых состояний воды Р–Т и P–V (рис. 12.37).
Для различных модификаций воды характерно существование метастабильных состояний, т. е. таких состояний, при которых одна фаза существует
в области температур и давлений другой фазы. Такие же метастабильные состояния существуют и для фазовых переходов из одного агрегатного
состояния в другое.
|
|
|
На рис. 12.37, а схематически изображены области метастабильных состояний при фазовом переходе жидкость-газ (вода-пар). Выше линии 2 находится область, соответствующая переохлажденному пару, а ниже – перегретой жидкости.
При конденсации пара (рис. 12.37, б) область метастабильного состояния на диаграмме расположена между бинодалью, т. е. кривой, соединяющей точки, отвечающие равновесным состояниям при разных температурах Т для жидкости и пара (соответственно точки А и Б), и спинодалью – кривой, соединяющей точки, в которых dР / dV = 0(точки В и Г).
| Метастабильные состояния |
| Р |
| Р |
| 1 |
| Т |
| Т тp |
| К |
| Р тp |
| Переохлажденный пар |
| 3 |
| 2 |
| фаза |
| Твердая |
| Газообразная фаза фаза |
| Жидкая фаза |
| Перегретая жидкость |
| 4 |
| Г |
| 3 |
| 5 |
| 2 |
| 1 |
| Т К |
| В |
| А |
| Б |
| V |
| а |
| б |
Рис. 12.37. Диаграммы фазовых состояний воды:
а – диаграмма метастабильных состояний при фазовом переходе жидкость-газ:
1 – кривая плавления; 2 –кривая испарения; 3 – кривая возгонки;
К – критическая точка(Т К=647,35 ºК, Р К=218,5 атм);
Р тp, Т тp – давление и температура воды в тройной точке;
б – зависимости Р–V при Т К (1) и меньше Т К (2):
ВГ – лабильные состояния (состояниянеустойчивости не только
к сильным, но и к слабым возмущениям);
прямая 3 соединяет равновесные состояния жидкости и пара;
4 – бинодаль; 5 – спинодаль; Т К – критическая точка
При подаче ТАВ через стволы-распылители, в которых давление воды быстро (за несколько миллисекунд) уменьшается до атмосферного, происходит почти мгновенное вскипание воды. В работах академика В. П. Скриповатакое вскипание названо взрывным вскипанием. При взрывном вскипании одна часть воды переходит в переохлажденный пар (до 30 %), а другая часть воды дробится на капли диаметром от 0,1 до 10 мкм, при этом формируется струя парокапельной смеси – струя ТАВ. Так как диаметр большинства капель составляет от 0,1 до 10 мкм, то струи ТАВ витают в воздухе и многими наблюдателями ошибочно воспринимаются как пар. Струи ТАВ долго не осаждаются (по экспериментальным данным, не менее 20 мин), огибают без осаждения препятствия, не оседают на вертикальных и горизонтальных плоскостях, даже при подаче на горизонтальные поверхности стремятся вверх. На рис. 12.38 представлены струи ТАВ, полученные из различных стволов с насадками.
а б
в г
Рис. 12.38. Струи ТАВ, полученные из различных стволов с насадками:
а – подача ТАВ стволами-пиками и трансформером для создания водяной завесы;
б – подача ТАВ стволом-пикой с насадком для раскрытия струи на 180°;
в – подача ТАВ стволом-пикой и через напорный патрубок дымососа
для тушения пожаров в замкнутых объемах;
г – подача ТАВ стволами-пиками для распространения водяного тумана
по горизонтальной поверхности
Струи ТАВ обладают уникальными свойствами, позволяющими
реализовать при тушении пожаров принципиально новые способы пожаротушения,которые не могут быть одновременно реализованы ни одним
из известных способов.
Струи ТАВ могут быть использованы для тушения практически всех видов горючих веществ, которые не вступают в химическую реакцию
с водой с выделением большого количества тепла или горючих газов.
Они эффективно тушат бензины различных марок, нефтепродукты, спирты, ацетон, другие углеводороды и водорастворимые жидкости, а также твердые горючие материалы: древесину, резину, поливинилхлорид, полистирол. Наиболее эффективно струи ТАВ тушат пожары в замкнутых объемах, так как образуют большой объем «водяного тумана», который эффективно осаждает дым и пары ядовитых веществ, выделившихся при горении, а также вытесняет воздух и тем самым уменьшает процентное содержание кислорода в зоне горения.
Эффективное (быстрое) уменьшение температуры при тушении ТАВ обеспечивается тем, что размер большинства капель «водяного тумана» составляет всего 0,1–10 мкм, а температура струи на расстоянии 30–50 см
от ствола-распылителя ТАВ – 50–60 °С. Большая площадь поверхности
капель и температура «водяного тумана», близкая к 100 °С, обеспечивает быстрое испарение воды, что и понижает температуру в зоне горения,
а также увеличивает объем пара.
Кроме того, эффективность пожаротушения струями ТАВ обеспечивается тем, что капли воды размером менее 10 мкм долго не осаждаются (витают) и вместе с конвективными потоками воздуха инжектируются в очаг
пожара. Это существенно расширяет тактические возможности подразделений, использующих пожарные автомобили с установками пожаротушения ТАВ, по тушению пожаров в сложных условиях: появляется возможность тушить очаги пожаров «вслепую», направляя струи ТАВ в пустоты или
в конвективные потоки. Эта возможность становится принципиально важной при тушении пожаров в транспортных и кабельных тоннелях. При подаче ТАВ через напорные патрубки дымососов (см. рис. 12.38, в) можно не только осадить дым, но и изменить направление распространения дыма («опрокинуть» поток дыма) без риска увеличения интенсивности горения.
Также использование струй ТАВ позволяет эффективно тушить
завалы, внутри которых после пожара или чрезвычайных ситуаций продолжается горение или тление горючих материалов и, главное, могут находиться пострадавшие люди. Струи ТАВ уже на расстоянии примерно
30 см от ствола имеют температуру не выше 60 °С и не могут причинить вред человеку (рис. 12.39).
Причем ТАВ позволяет обеспечить многофункциональность тушения не только по виду горючих материалов, но и по способу их тушения.
При подаче ТАВ возможен как поверхностный, так и объемный способ пожаротушения.
а б
Рис. 12.39. Безопасность ТАВ для человека:
а – нахождение руки человека в струе ТАВ;
б – измерение температуры ТАВ с помощью тепловизора
Еще одна тактическая возможность пожаротушения, которая реализуется при использовании ТАВ, – выбор оптимальных параметров «водяного тумана» за счет изменения температуры. Регулирование температуры воды позволяет изменять соотношение между паровой и водяной фазами «водяного тумана», а также размер капель воды. В истории развития техники пожаротушения впервые появилась возможность плавного, бесступенчатого регулирования параметров водяной струи от компактной (при температуре воды перед стволом-распылителем ТАВ менее 100 °С) до мелкодисперсной с размером капель от 0,1 до 10 мкм (при температуре воды перед стволом
160 °С и более). Главное, эти изменения параметров струи возможны без замены стволов и каких-либо манипуляций ствольщика со стволом: достаточно подать команду водителю пожарного автомобиля увеличить или уменьшить температуру воды на выходе из установки пожаротушения.
При расходе стволом-распылителем ТАВ около 1 л/с минимальный диаметр проточных частей ствола-распылителя ТАВ не будет менее 6–7 мм, а размер большинства капель воды струи недогретой воды будет составлять всего 0,1–10 мкм. Очевидно, что отверстие диаметром 6–7 мм засорить водой, прошедшей через насос модели НЦПВ или НЦПК, практически невозможно.
