«Алгоритмы безопасности» №2, 2003 год
Состояние вопроса использования тонкораспыленной воды при тушении пожаров.
С. Цариченко, зам. Начальника НИЦ пожарной техники и системы пожаротушения, ВНИИПО
Вода является самым древним и самым распространенным средством пожаротушения, из всех известных человечеству.
Это обусловлено, в первую очередь, ее доступностью и распространенностью, а также высокой огнетушащей способностью. Высокая эффективность воды как огнетушащего средства определяется охлаждающим эффектом, который оказывает вода, попадая на очаг пламени, а также локализацией пламени, ограничивающей доступ окислителя (молекул кислорода воздуха) в зону горения за счет образования парового пространство при испарении воды.
Очевидно, что важным фактором, определяющим эффективность использования воды при пожаре, является способ передачи ее в очаг горения. Широко известные понятия — компактная и распыленная подача воды, самими названиями определяют физическую сущность того или иного способа. Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные качества.
Так, например, компактная струя применяется в случае необходимости доставки воды на большие расстояние, когда только кинетическая энергия компактной струи может решить эту задачу. При этом количество воды, затраченной непосредственно на тушение – коэффициент использования воды – достаточно низкий, что обусловлено попаданием воды только на отдельные участки горящей поверхности, когда большая часть воды стекая, остается незадействованной на тушение пожара, вызывая значительные повреждения материальных ценностей, что наиболее часто имеет место при тушении многоэтажных зданий.
Распыленная вода в значительной степени лишена этого недостатка – коэффициент использования воды существенно выше. Это обусловлено тем, что капли образуют в объеме защищаемого помещения достаточно равномерную аэровзвесь, охватывающую одновременно не только зону очага пожара, но и прилегающие поверхности. Учитывая то, что основополагающим механизмом тушения водой является испарение, то очевидно, что важным параметром, определяющим эффективность, является размер капель. Это обусловлено тем, что уменьшение диаметра капли приводит к увеличению площади поверхности, приходящейся на единицу массы воды – удельной поверхности капли, что в свою очередь увеличивает интенсивность испарения находящейся в очаге пожара и, тем самым, повышается эффективность пожаротушения. Из сказанного здесь следует, что для повышения эффективности воды целесообразно добиваться как можно большей диспергации воды, то есть ее измельчения, делая размер капель соизмеримым капелькам тумана, порядка 5-10 микрон. Однако, как показывают многочисленные опыты, эффективность подобных туманов (так наказываемых «water fog») при тушении даже незначительных пожаров близка к нулю. Это объясняется тем что, рассматривая процесс испарения капли мы как бы идеализированно предполагали, что капли достигли своей цели — очага горения и непосредственно воздействуют на пламя, тогда как процесс доставки капли, заключающийся в преодолении теплового барьера и конвективных потоков от очага пожара в значительной степени является лимитирующим фактором при тушении распыленной водой. Очевидно, для доставки капель воды в зону горения необходимо сообщить достаточную кинетическую энергию, величина которой пропорционально произведению массы на квадрат скорости капли. В результате попытка уменьшить размер капель приводит к необходимости существенно увеличить начальную скорость потока капель, что приводит к значительному усложнению и удорожанию распылительных устройств.
В результате многочисленных исследований и попыток добиться положительных результатов по тушению распыленной водой был получен некий оптимум размера капель — 100…150 микрон, при котором достигается наибольший эффект по тушению чистой водой. Поэтому представляется наиболее интересным, рассмотреть существующие технические способы и средства пожаротушения тонкораспыленной водой (ТРВ), к которой относится указанная выше дисперсность капель воды.
По своему функциональному назначению средства пожаротушения ТРВ делятся на мобильные и стационарные. К первым относятся средства, используемые оперативными частями пожарной охраны и просто гражданами. В первую очередь это водяные огнетушители, такие как ОВМ-5, ОВМ-10, выпускаемые Киришским заводом биологического машиностроения, которые обладают высокой эффективностью и надежностью и могут быть использованы без предварительного обучения. К более сложным средствам, которыми вооружены профессиональные пожарные, относятся ранцевые установки типа «IFEX» (Германия) и «Игла-1-0.4» (Россия). Каждая из этих установок содержит ранцевый резервуар с водой (10л) и баллон со сжатым воздухом. Основываясь на различных принципах получения потока распыленной воды, обе установки создают поток высокоскоростных капель воды, способных преодолевать тепловые и конвективные барьеры очага пожара, доставляя необходимое количество воды в заданную оператором цель. Германская установка использует принцип дискретной импульсной подачи фиксированной дозы воды (не более 1 л) под действием заряда воздуха высокого давления. Дальность подачи воды не превышает 16 м. В установке российской разработки используется принципиально другая идея получения и придания требуемой скорости частицам воды. Здесь вода, смешиваясь с воздухом, разгоняется и распыляется специальным соплом, при этом могут быть сформированы различные углы распыла воды, что позволяет решать пожарному различные тактические задачи. Дальность подачи воды установкой «Игла-1-0.4» при угле раскрытия струи 30 град. составляет 10 метров, при расходе 0.4л/с. В обеих установках средний размер частиц составляет 100 микрон. Преимуществом установки «Игла» является то, что она предназначена для тушения очагов пожара класса А и В, тогда как «IFEX» только класса А, при этом подача воды «Иглой» может вестись как непрерывно, так прерывисто, изменяя фору распыла. Близкой по своему принципу работы и тактико-техническим характеристикам установке «IFEX» является «Витязь» (Беларусь). Применение распылительных стволов от этих установок с большим запасом воды и воздуха позволило создать мобильные комплексы быстрого реагирования, базирующиеся на мотоциклах и автомобилях. Физические принципы, заложенные в рассмотренных выше ранцевых системах, нашли развитие в более крупных установках, предназначенных для использования на тяжелых автомобилях, кораблях, вертолетах. При этом расходы воды были увеличены по отношению к ранцевым распылителям в 30-50 раз. Другим направлением развития оперативных средств пожаротушения ТРВ является использование так называемых стволов высокого давления, представляющие распылительные устройства, формирующие струю мелких капель на срезе сопел с микроскопическим сечением под воздействием высоких давлений подаваемой воды. Расход воды на таких стволах составляет 0.3-0.6 л/с при давлении 100-200 атм., для чего используются специальные насосы высокого давления, способные обеспечивать требуемые параметры. К таким системам относятся в частности разработки германских компаний «Fogtec Fire Protection» и «Jomos Brandschutz». При достаточно высокой эффективности представленных стволов они обладают существенными недостатками, обусловленными дорогостоящей прецизионной технологией элементной базы насосов и стволов, и как результат высокими требованиями к качеству используемой воды.
Стационарные установки пожаротушения тонкораспыленной водой были известны достаточно давно и широко использовались для защиты кораблей (в частности системы фирмы «Grinnell») с целью снижения опасности потери устойчивости судном в экстремальных условиях тушения пожара. Однако наибольший интерес к ним проявился с момента принятия Монреальской конвенции, предписывающей запрещение озоноразрушающих газовых составов, когда тонкораспыленная вода стала рассматриваться как достойная замена хладонам. По своему конструктивному исполнению все стационарные системы могут быть отнесены либо к модульным, либо к агрегатным.
Модульная установка пожаротушения ТРВ представляет собой систему аналогичную по конструктивному исполнению порошковым стационарным модулям и предназначена для защиты определенных материальных ценностей или площадей. При проектировании, создании и испытаниях подобных систем необходимо руководствоваться действующими в настоящее время НПБ 80-99 «Модульные установки пожаротушения тонкораспыленной водой автоматические. Общие технические требования. Методы испытаний». Сегодня на рынке средств пожаротушения зримо присутствуют модульные установки ТРВ производства МЭЗ «Спецавтоматика» (Москва), ООО «Пламя» (Московская область) и ООО «Безопасность» (С.-Петербург), причем первые две установи прошли успешно добровольную сертификацию. Требования по обязательной сертификации модульных установок ТРВ в настоящее время отсутствуют. Все эти установки базируются на одном принципе распыления воды — дробление потока воды насыщенной газом на выходе из сопла за счет высокой кинетической энергии и энергии взрывающихся пузырьков газа, что позволяет получать относительно мелкие кали — приблизительно 100 микрон. При этом конструкция сопел не накладывает жестких требований по качеству воды, давая возможность заряжать систему водой без специальной предварительной очистки. Несколько другой принцип заложен в систему пожаротушения «Водяной туман» разработки ОАО «НПП «Звезда», где высокое рабочее давление наддува баков воды из тонких сопел и ее дробление до размера капель порядка 40-50 микрон. По аналогичному принципу работают установки зарубежных компаний LPG (Испания) и «Forgtec Fire Protection» (Германия). Основным недостатком последних трех систем являются жесткие требования по чистоте к воде и, как следствие, дорогостоящее оборудование установки. В тоже время достаточно тонкое распыление воды, сопровождающееся малой длительностью импульса и высокой скоростью капель, обеспечивает высокую интенсивность подачи воды, в результате чего достигается снижение расхода воды необходимой для тушения пожара и потерь в результате воздействия воды на защищаемые объекты.
Модульные системы по характеру воздействия на очаг пожара наиболее близко стоят к объемным средствам пожаротушения, не являясь таковыми, а относятся к локально-объемным, то есть защищающим ограниченные пространства в зоне расположения распылителей. При этом нормативная интенсивность подачи огнетушащего вещества рассматривается как масса воды, подаваемая в единицу времени на единицу площади защищаемой поверхности. В настоящее время отсутствуют универсальные нормы одинаково регламентирующие интенсивность подачи воды для различных систем пожаротушения, что обусловлено различиями в способах формирования струи распыленной воды и, как следствие, различную эффективность пожаротушения.
Агрегатные установки пожаротушения ТРВ являются развитием традиционных спринклерно-дренчерных автоматических установок водяного пожаротушения, в которых в целях повышения коэффициента использования воды и снижения повреждения материальных ценностей от воздействия воды используются оросители с более мелким распылением воды, что обусловлено специальной конструкцией последних и более высоким уровнем гарантированного рабочего давления в системе (5-10 атм). Наиболее широко известны в этой области разработки известных фирм «Minimax» (Германия) и «Grinnell» (США), с специализирующихся в области создания установок ТРВ с использования стандартной элементной базы автоматики контроля управления системой. Упоминавшаяся выше германская фирма «Forgtec Fire Protection» разрабатывает специализированное оборудование подачи воды и распыления при давлениях порядка 80-120 атм. Аналогично модульным установкам, нормативные интенсивности для агрегатных установок определяются специально для каждого типа представляемых разработчиком систем.
Особый интерес для объектов с ограниченным запасом воды представляет разрабатываемый в настоящее время на МЭЭ «Спецавтоматика» проект автономной агрегатной установки, базирующейся на элементах контроля и управления, распылительных головках традиционной агрегатной установки и использующей автономный водопитатель, обеспечивающий надежное водоснабжение с заданной интенсивностью в течение всего расчетного времени пожаротушения определяемого для каждого конкретного случая с учётом особенностей защищаемого объекта.
Разработанная нами установка полностью лишена недостатков вышеперечисленных устройств.
Установка импульсного мелкодисперсного орошения «УСТИМОР» использует безмашинное преобразование энергии. Вода в атмосферу вытесняется расширяющимися газами, образующимися при сжигании в водовоздушнонапорном аппарате сжатой топливной смеси. Высокие давления выплеска (рабочее 50 атм., расчётное 60 атм.) получаются при сравнительно низких затратах энергии (0,26-0,3 г топлива на литр воды). При этом возможно повышение давления до 100 – 150 атм. Данная установка была испытана на полигоне Ингулецкого Горно- обогатительного Комбината и получила достаточно высокие оценки специалистов. Дальность полета струи составила 150-180 м. При этом дисперсность водного аэрозоля была в пределах 50-450 микрометров.