Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
АЛТУХОВ Олег Игоревич
ГОРЕНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИХ СОСТАВОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ СРЕДСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Специальность 01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Самара - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет
Научный консультант: доктор технических наук Самборук Анатолий Романович
Официальные оппоненты: Епифанов Владимир Борисович доктор технических наук, профессор, Самарский государственный технический университет, профессор кафедры Химия и технология полимерных и композиционных материалов Лавров Владимир Васильевич кандидат физико-математических наук, Институт проблем химической физики РАН, старший научный сотрудник
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет.
Защита состоится 18 мая 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу:
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, аудитория 500.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет.
Автореферат разослан л____ апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.01, доктор технических наук А. Р. Самборук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Во всех странах и во все времена борьба с пожарами являлась трудной, но жизненно важной государственной задачей. Однако, в настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры организационного и технического характера по обеспечению пожаробезопасности различных объектов, наблюдается тенденция неуклонного роста количества пожаров, человеческих жертв и материального ущерба, объясняемая рядом причин, в том числе и террористической деятельностью. Поэтому проблема обеспечения пожарной безопасности объектов различного назначения является весьма актуальной. Она является важной составной частью системы общей безопасности и противодействия терроризму. Успешное ее решение во многом связано с созданием и использованием новых экологически безопасных и высокоэффективных огнетушащих средств.
За последние три десятилетия порошковые средства пожаротушения ввиду универсальности их использования и высокой огнетушащей способности нашли широкое применение в отечественной практике и за рубежом. Основными конструкциями порошковых пожаротушащих устройств общей массой до 20 кг (масса огнетушащего вещества - до 10 кг) являются переносные огнетушители и стационарные модули порошкового пожаротушения.
По заключению Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны порошковые огнетушители по своим тактико-техническим параметрам существенно превосходят углекислотные и пенные.
В зависимости от способа создания рабочего давления различают три основных типа огнетушителей: закачные, с газобаллонным устройством и с газогенерирующим устройством (ГГУ).
Огнетушители с газогенератором имеют существенные преимущества перед огнетушителями с газовым баллоном и перед огнетушителями закачного типа:
- надежность работы, долговечность и безопасность при хранении за счет невозможности утечки газа (давление в корпусе огнетушителя отсутствует);
- простота перезарядки огнетушителя (не требуется компрессорное оборудование);
- увеличение срока до регламентной перезарядки огнетушителя (срок службы газогенератора 10 лет);
- большие гарантийные сроки хранения (10-15 лет);
- низкая металлоемкость изделий, так как рабочее давление газогенераторов составляет 2-4 МПа, тогда как у газобаллонных устройств - 10-15 МПа и газогенерирующие устройства не требуют применения толстостенных металлических корпусов;
- существенное упрощение технического обслуживания во время эксплуатации из-за отсутствия необходимости контроля утечки газа.
Нормативная продолжительность приведения в действие огнетушителей с ГГУ составляет 6 секунд. Опыт практического использования таких огнетушителей показал, что в экстремальных условиях пожара люди открывают выпускной клапан до истечения необходимого времени и, не получив огнетушащей струи, отбрасывают огнетушитель в сторону, считая его неисправным. Поэтому необходимо сократить время приведения огнетушителя в готовность до 1,5-2 при сохранении низкого уровня внутрикамерного давления газогенерирующего устройства.
В настоящее время в качестве огнетушащих порошковых составов (ОПС) используются легкоплавкие соединения с температурой плавления 80-100 С, способные подавлять горение жидкостей и твердых веществ, в том числе материалов, горение которых сопровождается тлением. Чтобы не вызывать агрегирование подобных ОПС и обеспечить полноту их выброса, температура газа на выходе из газогенерирующего устройства не должна превышать 150 С.
Наличие тепловыделения при задействовании заряда ГГУ может приводить к значительному отличию температуры газов, поступающих в корпус, от температуры окружающего воздуха и элементов конструкции огнетушителя. Это явление нежелательное, так как повышение температуры порошка из-за теплообмена с горячими газами приводит к снижению его текучести. При значительном увеличении температуры порошка (до 190-200 С) возможно его плавление, спекание, образование пробок, перекрывающих транспортную магистраль подачи порошка и снижающих его выброс. Поэтому одна из задач, которую также необходимо решить - это снизить температуру генерируемого газа. Согласно требованиям норм пожарной безопасности газогенерирующие устройства с низкой температурой генерируемого газа называются источниками холодного газа (ИХГ).
Однако для пиротехнических генераторов традиционного типа горения характерен высокий уровень температуры генерируемого газа, что существенно ограничивает область их применения и вынуждает применять в ряде случаев газобаллонные устройства, несмотря на их недостатки.
В известных устройствах получить газ температурой менее 200 С удается только ценой значительного усложнения конструкции газогенерирующих устройств или путем применения специальных охладительных устройств различного типа:
- механических (проволочные сетки, несколько слоев фильтрующего материала, наборы из отражательных пластин и слоев древесного угля и др.);
- химических (поглотители тепла в виде карбонатов цинка, кальция, магния, натрия, оксалатов натрия, аммония и др.);
- комбинированных.
Температуру генерируемого газа менее 150 С без применения специальных охладительных устройств способны создать газогенераторы с фильтрацией продуктов горения через пористый заряд (фильтрационное горение), однако, их существенным недостатком является низкая удельная газопроизводительность.
Цель работы: исследование процессов горения пиротехнических газогенерирующих зарядов, разработка рецептур составов и конструкций устройств химических источников давления для средств пожаротушения с низкой температурой генерируемого газа и сокращенным временем работы при сохранении низкого уровня внутрикамерного давления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Изучение основных закономерностей и особенностей горения пиротехнических газогенерирующих составов, используемых в химических источниках давления.
2. Выполнение термодинамических расчетов параметров горения газогенерирующих составов для обоснования выбора исходных компонентов состава.
3. Проведение экспериментальных исследований процессов горения и разработка рецептур газогенерирующих составов с невысокой температурой горения и повышенной удельной газопроизводительностью.
4. Разработка конструкций газогенерирующих устройств для порошковых огнетушителей и гибридных огнетушащих устройств на основе газогенерирующих составов с высокой скоростью горения при сохранении низкого уровня внутрикамерного давления.
Научная новизна.
1. Проведен термодинамический анализ влияния соотношения исходных компонентов на равновесный состав продуктов и адиабатическую температуру горения для оценки рабочих характеристик пиротехнических газогенерирующих составов.
2. Установлены основные закономерности горения газогенерирующих зарядов, разработаны рецептуры составов и исследовано влияние рецептурных факторов, изучена термостабильность и чувствительность составов.
3. Исследован процесс зажигания и разработана рецептура воспламенительного состава и технология его нанесения на заряд, обеспечивающие надежное зажигание и минимальное время задержки воспламенения газогенерирующего заряда в составе газогенерирующего устройства.
4. Сформулированы основные принципы компоновки конструкции зарядов и газогенерирующих устройств, обеспечивающие низкую температуру генерируемого газа и минимальный уровень внутрикамерного давления.
Достоверность научных результатов работы обусловлена использованием современных апробированных и известных методов исследования, современного программного обеспечения для выполнения расчетов, корректностью использования законов и математического аппарата теплофизики, термодинамики и газодинамики, контролируемостью условий проведения эксперимента и воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными, успешным практическим использованием.
Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе горения пиротехнических газогенерирующих составов.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны и всесторонне исследованы две рецептуры газогенерирующих составов с невысокой температурой горения (не более 900 С) и увеличенной удельной газопроизводительностью (не менее 550 л/кг). Составы обладают высокими безопасностными свойствами, не содержат дорогих и токсичных компонентов, технология их приготовления предусматривает использование стандартного оборудования.
2. Разработана конструкция пиротехнических источников холодного газа, удовлетворяющая всем требованиям нормативной документации для источников давления к порошковым огнетушителям.
3. Разработано гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения (ГУАПП), которое является основным элементом для построения модульных автоматических установок пожаротушения.
4. На учебно-опытной базе СамГТУ Петра-Дубрава организовано опытное производство источников холодного газа. На основе выпускаемых газогенерирующих устройств Самарским заводом противопожарного оборудования разработан и сертифицирован порошковый огнетушитель с массой огнетушащего вещества два килограмма ОП-2(г), освоено его производство. Изготовлены также опытные образцы ГУАПП и проведены их испытания, подтвердившие эффективность и надежность работы.
Научная и практическая ценность работы подтверждена актами внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований горения пиротехнических газогенерирующих составов.
2. Рецептуры газогенерирующих составов с содержанием в качестве газифицирующей добавки поливинилового спирта и циануровой кислоты.
3. Конструкция источников холодного газа с температурой генерируемого газа не более 150 С с сокращенным временем работы (1,5-2 с) и низким уровнем внутрикамерного давления (1,8-2 МПа).
4. Конструкция гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Международной научно-технической и методической конференции Современные проблемы специальной технической химии (Казань, 2007); VII Международной молодежной научно-технической конференции Будущее технической науки (Нижний Новгород, 2008); Международной молодежной научной конференции XVI Туполевские чтения (Казань, 2008); XIV Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2008); Всероссийской научно-технической и методической конференции Современные проблемы технической химии (Казань, 2009); XVIII Научно-технической конференции Системы безопасности - 2009 (Москва, 2009), организованной Академией ГПС МЧС России.
Результаты диссертационной работы отмечены: Дипломом и золотой медалью 4-ой Международной выставки изобретений TAIPEI INST г. Тайбей, Тайвань, 2008г.; Дипломом и бронзовой медалью Международной выставки изобретений г.Женева, Швейцария, 2008г.; Дипломом VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций г.Москва, 2008г.; Дипломом I степени Международной молодежной научной конференции XVI Туполевские чтения г.Казань, 2008г.; Дипломом Первого российского форума Российским инновациям - Российский капитал и VI Ярмарки бизнес-ангелов и инноваторов г.Чебоксары, 2008г.; Дипломом смены Инновации и техническое творчество Всероссийского молодежного инновационного форума Селигер - 2010 оз.Селигер, Тверская обл., 2010г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, в том числе 3 в изданиях, входящих перечень рецензируемых журналов ВАК РФ, получен патент РФ.
ичный вклад автора.
В рамках диссертационного исследования автором лично выполнены следующие работы:
1. Термодинамические расчеты горения пиротехнических газогенерирующих составов с формулировкой основных закономерностей.
2. Экспериментальные исследования закономерностей горения пиротехнических газогенерирующих составов и разработка рецептур.
3. Разработка воспламенительного состав для зажигания пиротехнического газогенерирующего заряда.
4. Разработка конструкции пиротехнических источников холодного газа.
5. Разработка конструкции гибридного устройства аэрозольнопорошкового пожаротушения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований. Диссертация изложена на 1страницах машинописного текста и содержит 33 рисунка, 22 таблицы и 2 приложения на 2 листах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту. Приводятся сведения об апробации работы и публикациях, структуре и объеме диссертации.
В первой главе установлены основные закономерности и особенности горения пиротехнических газогенерирующих составов.
Представлен обзор используемых в настоящее время рецептур пиротехнических газообразующих составов, а также конструктивных схем газогенерирующих устройств (ГГУ) в условиях их применения в огнетушителях.
Приводятся основные недостатки используемых в настоящее время пиротехнических газогенерирующих устройств. Показано, что в существующих газогенерирующих устройствах традиционного типа горения получить газ температурой менее 200 С удается только ценой значительного усложнения конструкции или путем применения специальных охладительных устройств различного типа.
Сформулированы основные направления работ по созданию газообразующих составов и газогенерирующих устройств на их основе для массового применения в порошковых огнетушителях.
Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям горения газообразующих составов и разработке газогенерирующего заряда.
Сформулированы общие требования, предъявляемые к пиротехническим газообразующим составам, предназначенных для использования в газогенерирующих устройствах для наддува порошковых огнетушителей.
Обоснован выбор компонентов пиротехнического газообразующего состава;
определены вещества, отвечающие требованиям для разработки такого состава.
Проведен термодинамический расчет характеристик (адиабатическая температура горения и равновесный состав продуктов) пиротехнических составов с использованием комплекса программ Thermo, разработанных в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и основанных на методе минимизации термодинамического потенциала энергии Гиббса. Выбраны исходные компоненты для разработки рецептур газообразующих составов: нитрат калия - окислитель, бакелит - горючеее и одновременно связующее, циануровая кислота, поливиниловый спирт, аммелид, меламин, дициандиамид - газифицирующие добавки.
Первая серия термодинамических расчетов проведена для базовой смеси локислитель - горючее для различных значений соотношения компонентов. Вторая серия расчетов проведена для тройных смесей локислитель - горючее - газифицирующая добавка для различных значений соотношения компонентов.
Результаты расчета адиабатической температуры горения двойной смеси нитрат калия - бакелит приведены на рисунке 1.
Р и с.1. Зависимость адиабатической температуры горения от содержания бакелита в двойной смеси нитрат калия - бакелит В результате термодинамического расчета адиабатической температуры горения двойной смеси нитрат калия - бакелит, показано что она уменьшается с 15К до 1162 К с увеличением содержания бакелита. Полученные данные были использованы при разработке рецептуры пиротехнического газогенерирующего состава с низкой температурой генерируемого газа.
Результаты расчета состава газообразных продуктов горения двойной смеси нитрат калия - бакелит сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Расчетный состав газообразных продуктов горения двойной смеси нитрат калия - бакелит Содержание Продукты горения, % бакелита, % Метан Оксид Диоксид Водород Азот Пары углерода углерода воды 30 0,58 53 0,5 31,7 13,4 0,40 2,15 45,13 1,26 38 11,2 2,50 4,33 37,87 2,57 41,15 9,27 4,60 7,44 30,14 3,99 42,92 7,39 8,70 11 23,6 4,87 43,83 5,5 11,На основе результатов термодинамического расчета равновесного состава продуктов горения (таблица 1) показано, что основу продуктов горения двойной смеси нитрат калия - бакелит составляют оксид углерода и водород. Также в заметных количествах образуются азот, метан, диоксид углерода и пары воды, причем доля последних повышается с увеличением содержания бакелита.
Результаты расчета адиабатической температуры горения тройных смесей нитрат калия - бакелит - газифицирующая добавка представлены на рисунке 2.
Р и с.2. Зависимость адиабатической температуры горения от содержания газифицирующей добавки в тройно й смеси нитрат калия-бакелит-газифицирующая добавка На основании термодинамических расчетов показано, что адиабатическая температура горения зависит от содержания газифицирующей добавки в тройных смесях, самая низкая температура наблюдается в тройной смеси с содержанием циануровой кислоты (1170-1370 К), причем снижение температуры наблюдается с увеличением содержания циануровой кислоты в тройной смеси. Результаты расчета состава продуктов горения тройной смеси нитрат калия - бакелит - циануровая кислота сведены в таблицу 2.
Таблица 2. Расчетный состав газообразных продуктов горения тройной смеси нитрат калия - бакелит - циануровая кислота Содержание циануровой Продукты горения, % кислоты, % Метан Оксид Диоксид Водород Азот Пары углерода углерода воды 10 1,38 49,34 1,74 29,39 16,02 2,15 1,73 46,79 3,11 27,54 17,52 3,20 2,14 43,18 4,91 26,28 18,77 4,25 2,59 38,29 7,51 24,41 20,61 6,30 2,69 35,55 9,29 22,75 22,11 7,На основе результатов термодинамического расчета равновесного состава продуктов горения (таблица 2) показано, что основу газообразных продуктов горения тройных смесей составляют оксид углерода, водород и азот, причем увеличение содержание последнего, как и предполагалось, произошло из-за использования в качестве газифицирующих добавок азотсодержащих соединений, таких как циануровая кислота.
По результатам проведенных расчетов содержание цианистого водорода в газообразных продуктах горения не превышает 0,01%, а для тройной смеси нитрат калия - бакелит - циануровая кислота при содержании кислоты более 15% масс.
цианистый водород отсутствует. Так как масса генерируемых газов не превышает 1% от массы выбрасываемого ими порошка, применение газогенерирующих устройств на основе приведенных выше компонентов для наддува порошковых огнетушителей, опасности не представляет из-за малой концентрации газообразных продуктов в воздухе.
Представлена конструкция газогенерирующего заряда, которая обеспечивает сгорание заряда в течение 1,5 секунд при внутрикамерном давлении не более 2 МПа (рисунок 3). Наличие канала внутри газогенерирующего заряда обуславливает более быстрое сгорание за счет уменьшения толщины горящего свода до 4,5 мм.
Р и с.3. Конструкция газогенерирующего заряда Последовательность разработки рецептур газообразующих составов заключалась в следующем: определялось такое соотношение между окислителем и горючим, при котором достигалась максимальная скорость горения и наибольшая газопроизводительность исследуемых бинарных смесей. Затем в выбранную таким образом смесь вводилось необходимое количество газифицирующей добавки для повышения газопроизводительности при сохранении требуемых уровней внутрикамерного давления и скорости горения.
Полученные результаты экспериментальных исследований горения двойных смесей представлены на рисунках 4 и 5.
Р и с.4. Зависимость максимального давления в камере (слева) и удельной газопроизводительности (справа) от содержания бакелита в двойной смеси нитрат калия Цбакелит Р и с.5. Зависимость скорости горения от содержания бакелита в двойной смеси нитрат калия - бакелит По результатам исследований в качестве основы тройной смеси была выбрана двойная смесь нитрат калия/бакелит = 70/30, так как именно эта смесь обладает самой высокой скоростью горения из исследованных бинарных смесей.
Экспериментальные исследования подтвердили выбор в качестве горючего и одновременно связующего бакелита, являющегося реактопластом. В результате реакции бакелита с нитратом калия происходит образованием прочных шлаков и формирование прочного пористого каркаса, препятствующих уносу конденсированных продуктов реакции из зоны горения. Каркас в виде блока остается в камере перед фильтром, а в приемную емкость через фильтр поступают только газообразные продукты газификации. Поэтому фильтру приходится охлаждать уже частично остывший чистый газ без конденсированных примесей. Полученные результаты горения тройных смесей представлены на рисунках 6 и 7.
Произведено экспериментальное определение температуры горения тройных смесей с содержанием в качестве газифицирующей добавки поливинилового спирта и циануровой кислоты, согласно которого температура горения смеси зависит от содержания газифицирующей добавки и ее снижение наблюдается с увеличением содержания добавки. Температура горения исследуемых тройных смесей с поливиниловым спиртом составляет 770-900 С, с циануровой кислотой - 720-850 С.
Р и с.6. Зависимость скорости горения (слева) и температуры генерируемого газа (справа) от содержания поливинилового спирта и циануровой кислоты в тройной смеси нитрат калия - бакелит - газифицирующая добавка Р и с.7. Зависимость максимального давления в камере (слева) и удельной газопроизводительности (справа) от содержания поливинилового спирта и циануровой кислоты в тройной смеси нитрат калия - бакелит - газифицирующая добавка Проведенные исследования позволили разработать две рецептуры газообразующего состава, которые обеспечивают необходимые значения по скорости горения, внутрикамерному давлению и температуре генерируемого газа:
Рецептура №1: Рецептура №2:
- нитрат калия - 58(4)%, - нитрат калия - 65(4)%, - бакелит - 25(3)%, - бакелит - 20(3)%, - поливиниловый спирт - 17(3)%, - циануровая кислота - 15(+3)%, - графит - 1% сверх 100. - графит - 1% сверх 100.
Экспериментально подтверждена техническая возможность изготовления газогенерирующих зарядов традиционного типа горения с увеличенной удельной газопроизводительностью (до 715 л/кг), обеспечивающих низкую температуру генерируемого газа (не более 150 С).
Для определения безопасности обращения и изготовления разработанных газообразующих составов были проведены испытания на чувствительность к удару и трению. Испытания показали, что разработанные газообразующие составы нечувствительны к удару (частость взрывов в приборе 1 составляет 0%) и трению при ударном сдвиге (частость взрывов при давлении прижатия Руд=353 МПа (3600 кгс/см2) составляет 0%).
Изучены термостабильность и чувствительность разработанных газообразующих составов к тепловым воздействиям методом дифференциальнотермического анализа высокого разрешения. Проведенный дифференциальнотермический анализ высокого разрешения показал высокую термостабильность и низкую чувствительность к тепловым воздействиям разработанных газообразующих составов. Полученные значения температуры вспышки (3961 С) и энергии активации (309,9 кДж/моль) составов являются косвенной характеристикой стабильности рабочих характеристик газогенерирующих зарядов на основе разработанных рецептур газообразующих составов в процессе длительного хранения.
Оценена возможность перехода горения газогенерирующих зарядов на основе разработанных газообразующих составов в детонацию. Испытания проводились на измерительно-вычислительном комплексе с использованием тензометрических датчиков давления, аналого-цифрового преобразователя Spider-8, программного обеспечения Catman 4.0 и Diadem 9.0. На основании рассчитанной удельной быстроты газообразования был установлен постоянный характер изменения поверхности горения при внутрикамерном давлении 40 МПа. Перехода горения в детонацию не наблюдалось.
Исследованы взрывчатые характеристики зарядов по методике оценки передачи детонации аммонитными патронами 6ЖВ. В качестве промежуточных патронов использовались газогенерирующие заряды на основе разработанных газообразующих составов. Активный заряд инициировался электрическим детонатором ЭД-8Ж. В результате испытаний активный заряд сработал полностью и вызвал механические разрушения испытуемых зарядов и части пассивного заряда.
Передачи детонации не произошло.
Третья глава посвящена исследованию горения пиротехнических зарядов в составе газогенерирующих устройств и разработке конструкции газогенератора с сокращенным временем работы (1,5-2 с) и низким уровнем внутрикамерного давления (не более 2 МПа).
Сформулированы основные требования, предъявляемые к газогенерирующим устройствам, предназначенным для использования в порошковых огнетушителях, а также требования, предъявляемые к воспламенительным составам, предназначенным для зажигания основного заряда.
Исследована возможность использования в качестве дополнительного воспламенительного заряда двух типов воспламенителей: газообразующего (ДРП-2) и малогазового (МГС-Si).
Воспламенитель помещался между капсюлем-воспламенителем УЖевелоФ и зарядом газообразующего состава. Навеска воспламенителя составляла 0,5-2 г.
На рисунке 8 представлено влияние типа и количества воспламенителя (m, г) на время задержки воспламенения (t, с).
Р и с.8. Влияние воспламенителя на время задержки воспламенения Показано, что при использовании в качестве воспламенителя дымного ружейного пороха менее 1,0 г наблюдаются задержки воспламенения более 1 с, а при увеличении навески более 1,0 г из-за высокого внутрикамерного давления стали возникать прорывы газов через резьбу корпуса. Также отмечено, что наиболее целесообразным представляется использование в качестве воспламенителя малогазовых составов, создающих плоский стабильный фронт горения, однако они дают высокую задержку воспламенения.
Поэтому была разработана рецептура воспламенительного состава, а также технология нанесения воспламенительного заряда, обеспечивающие надежное зажигание и минимальное время задержки воспламенения газогенерирующего заряда в составе газогенерирующего устройства.
Для определения требуемого количественного соотношения компонентов воспламенительного состава, которое обеспечит надежное и безотказное зажигание основного пиротехнического состава, были проведены эксперименты по сжиганию составов с различным содержанием выбранных компонентов. Содержание нитрата калия варьировалось 50-70% по массе. Такое высокое содержание окислителя было продиктовано увеличением скорости горения состава. Навеска воспламенительного состава составляла 2 г. Экспериментальные данные по сжиганию воспламенительных составов с различным содержанием компонентов представлены в таблице 3.
Таблица 3. Основные характеристики горения воспламенительного состава Контролируемый Содержание компонентов, % параметр Нитрат Нитрат Нитрат Нитрат Нитрат калия - 50 калия - 55 калия - 60 калия - 65 калия - Древесный Древесный Древесный Древесный Древесный уголь - 5 уголь - 6 уголь - 7 уголь - 8 уголь - Сера - 5 Сера 6 Сера - 7 Сера - 8 Сера - Титан - 22 Титан - 24 Титан - 26 Титан - 28 Титан - Время задержки 0,2 0,17 0,15 0,13 0,воспламенения, с Максимальное 2,6 2,8 3 3,1 3,давление при горении, МПа Проведенные эксперименты (таблица 3) по определению количественного соотношения компонентов воспламенительного состава позволили определить следующее оптимальное соотношение компонентов: нитрат калия - 60(3)%, титан - 26(2)%, древесный уголь - 7(1)%, сера - 7(1)%, нитроцеллюлоза - 4,5(0,5)% сверх 100.
Воспламенительный состав в количестве 1,5 - 2,0 г в виде мастики на растворе нитроцеллюлозы в ацетоне наносился на торец газогенерирующего заряда, а затем заряд с еще невысохшим воспламенительном составом обмакивался в порох ДРП-2.
В дальнейшем был обоснован выбор полимеров в качестве материала корпусов газогенерирующих устройств с малым временем работы и низкой температурой генерируемого газа. В качестве материала корпуса использовался стеклонаполненный полиамид марки ПА6-210кс.
При разработке конструкции газогенерирующего устройства использованы три основных принципа компоновки, работающие в комплексе и обеспечивающие низкую температуру генерируемого газа и минимальный уровень внутрикамерного давления.
Во-первых, для снижения уровня внутрикамерного давления между капсюлем- воспламенителем и газогенерирующим зарядом создавался свободный объем, для чего использовался набор картонных колец.
Во-вторых, в качестве горюче-связующего использовался бакелит, который сгорает с образованием шлаков и формирует прочный пористый каркас, препятствующий уносу конденсированных продуктов реакции из зоны горения. В процессе горения каркас выполняет роль фильтра и в надуваемую емкость поступают только газообразные продукты.
В-третьих, для охлаждения газообразных продуктов горения применялся дополнительный фильтр, через который фильтровались уже очищенные от конденсированных продуктов реакции газы.
На основе двух вышеописанных рецептур пиротехнического газообразующего состава разработана и изготовлена конструкция газогенерирующего устройства, схема которого представлена на рисунке 9.
Р и с.9. Конструкция газогенерирующего устройства:
1 - газоотводная трубка; 2 - сетка; 3 - бумага; 4 - корпус; 5 - газогенерирующий заряд;
6 - набор картонных колец; 7 - капсюль-воспламенитель; 8 - донце; 9 - фильтр;
10 - тканевый кружок; 11 - воспламенительный заряд.
Газогенерирующее устройство представляет собой вытянутый стакан с резьбой в верхней части для крепления к запорно-пусковому устройству огнетушителя и с отверстием в нижней части для установки газоотводной трубки 1. Такая вытянутая форма ГГУ спроектирована с учетом особенности корпусов огнетушителей, когда большая часть огнетушащего порошка находится внизу корпуса огнетушителя.
При срабатывании ГГУ генерируемый газ выходит через отверстия в нижней части газоотводной трубки 1 и, поступая в корпус огнетушителя, осуществляет рыхление и псевдоожижение огнетушащего порошка, обеспечивая полноту его выброса (до 98 %) и повышая эффективность и надежность работы огнетушителя.
На основании проведенных исследований обоснован выбор материала фильтра. Так как назначение фильтра состоит в исключении проникновения конденсированных продуктов реакции в приемную емкость и в охлаждении генерируемых газов то, в качестве материала фильтра для исследований были выбраны природные и искусственные материалы с большой поверхностью: кварцевый песок, оксид алюминия, силикагель и перлит. Указанные вещества являются недорогими и недефицитными. На основании отсутствия стойкости к механическим воздействиям перлит в качестве фильтрующего материала был исключен из дальнейших исследований. Оценка охлаждающей способности материала фильтра производилась в стенде, имитирующем работу газогенератора, путем сжигания газогенерирующих зарядов. Результаты оценки охлаждающей способности материалов фильтра представлены в таблице 4.
Таблица 4. Результаты оценки охлаждающей способности материалов фильтра Материал фильтра Контролируемый параметр Кварцевый Гранулы Гранулы Гранулы песок, силикагеля, силикагеля, оксида 200 - 2 - 4 мм 4 - 6 мм алюминия, 500 мкм 3 - 6 мм Температура газа max (Тгm), 80 295 310 1С Давление в камере max 2,5 2,2 2 1,(Ркm), МПА Самую низкую температуру генерируемого газа смог обеспечить кварцевый песок, но в тоже время увеличилось максимальное давление в камере. Силикагель не смог охладить генерируемый газ до температуры менее 150 С.
Оптимальным материалом фильтра во время проведения испытаний показал себя оксид алюминия в гранулах диаметром 3 - 6 мм, который снизил температуру генерируемого газа до 150 С, при сохранении относительно невысокого уровня внутрикамерного давления (1,8-2 МПа). Таким образом, в дальнейшем при создании газогенерирующего устройства в качестве материала фильтра использовался оксид алюминия в виде сферических гранул диаметром 3 - 6 мм.
Газогенерирующему устройству на основе заряда с поливиниловым спиртом согласно требованиям норм пожарной безопасности НПБ-199 присвоен шифр ИХГ - 2(п) - 01 (источник холодного газа в пластиковом корпусе для огнетушителей с массой огнетушащего вещества 2 кг, модели 01), а газогенерирующему устройству на основе заряда с содержанием в качестве газифицирующей добавки циануровой кислоты (рецептура №2) присвоено наименование ИХГ - 2(п) - 02 (источник холодного газа в пластиковом корпусе для огнетушителей с массой огнетушащего вещества 2 кг, модели 02). Произведена проверка стабильности выходных характеристик ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - 02 при изменении количественного состава компонентов. Данные по зависимости основных характеристик при изменении рецептурных факторов представлены в таблицах 5 и 6 соответственно.
Таблица 5. Влияние рецептурных факторов на характеристики ИХГ - 2(п) - Содержание Время Температура Объем Давление внутри компонентов, % работы, генерируемого газа, ГГУ, с л МПа газа, С Нитрат калия - Бакелит - 22,Поливиниловый спирт - 0,8 - 1,1 150-155 9,3 - 2,1 0,17,Графит - 1 (св. массы) Нитрат калия - Бакелит - Поливиниловый спирт - 17 1,0 - 1,2 145-150 9,0 - 9,2 0,Графит - 1 (св. массы) Нитрат калия - Бакелит - 27,Поливиниловый спирт - 1,2 - 1,4 140-145 8,1 - 8,1,9 0,16,Графит - 1 (св. массы) Таблица 6. Влияние рецептурных факторов на характеристики ИХГ - 2(п) - Содержание Время Температура Объем Давление внутри компонентов, % работы, генерируемого газа, ГГУ, с л МПа газа, С Нитрат калия - Бакелит - 17,Циануровая кислота - 1,1 - 1,3 145-150 11,5 - 1,9 0,15,Графит - 1 (св. массы) Нитрат калия - Бакелит - Циануровая кислота - 15 1,3 - 1,4 140-145 11,0 - 11,1,8 0,Графит - 1 (св. массы) Нитрат калия - Бакелит - 22,Циануровая кислота - 1,4 - 1,6 135-140 10,1 - 10, 1,8 0,14,Графит - 1 (св. массы) Отмечено, что при достаточно большом отклонении компонентов газообразующего состава (до 4 %) основные характеристики источников холодного газа соответствуют требованиям нормативно-технической документации. Это подтверждает высокую стабильность работы устройства.
Экспериментально определен химический состав генерируемого газа на газовом хроматографе. Результаты анализа в объемных процентах приведены в таблице 7.
Таблица 7. Состав газообразных продуктов горения при срабатывании ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - Источник холодного Продукты горения, % газа Метан Оксид Диоксид Водород Азот Пары углерода углерода воды ИХГ - 2(п) - 01 1,8 47 2,5 29,6 15,8 3,ИХГ - 2(п) - 02 2,7 43,1 5,5 26,3 19,5 2,Так как масса генерируемых газов не превышает 1% от массы выбрасываемого ими порошка, применение пиротехнических источников холодного газа ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - 02 для наддува порошковых огнетушителей, а также других средств пожаротушения и спасения, опасности не представляет из-за малой концентрации газообразных продуктов в воздухе рабочей зоны.
Проведенные испытания образцов пиротехнических источников холодного газа ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - 02 показали, что разработанные источники холодного газа удовлетворяют требованиям для наддува порошковых огнетушителей с массой огнетушащего вещества 2кг даже при отклонениях рецептурных факторов.
Полученная низкая температура генерируемого газа говорит о правомерности применения названия листочник холодного газа.
Конструкция источников холодного газа для порошковых огнетушителей с массой огнетушащего вещества 4кг и 5кг аналогична конструкции для порошкового огнетушителя с массой огнетушащего вещества 2кг. При использовании газогенерирующих зарядов для порошковых огнетушителей с массой огнетушащего вещества 4кг и 5кг пропорционально увеличению массы огнетушащего вещества увеличивается количество зарядов.
В четвертой главе показано использование процессов горения при разработке гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения.
Представлен сравнительный анализ устройств пожаротушения с использованием порошковых огнетушителей и генераторов огнетушащего аэрозоля (ГОА), определены их преимущества и недостатки. Показано, что ГОА эффективны для тушения пожаров в замкнутых помещениях, а огнетушащие порошковые составы (ОПС) - при локальном покрытии очага горения, как в открытых, так и в замкнутых пространствах.
Показано, что огнетушащая эффективность зависит от размеров частиц огнетушащих веществ, и крупная фракция более эффективна на начальном этапе тушения, когда необходимо разрушить конвективную колонку очага и зону подсоса окислителя (заставив его засасывать огнетушащее облако), а также экранировать горючие материалы от теплового потока. Учитывая характер зависимости огнетушащей эффективности от размеров частиц, а также то, что крупная фракция более эффективна на начальном этапе тушения, предложено производить тушение сразу двумя типами аэрозолей: порошковыми (крупной фракции с размером частиц 50-80мкм) и свежеобразованными, получаемыми при горении специальных аэрозолеобразующих огнетушащих составов (мелкой фракции с размером частиц 0,1-мкм). Это возможно при совместном применении импульсных порошковых огнетушителей и генераторов огнетушащего аэрозоля.
Показана практическая возможность объединения аэрозольного и порошкового способов тушения загораний.
Разработано гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения (ГУАПП), конструкция которого представлена на рисунке 10.
Рис.10. Гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения:
1 - корпус, 2 - разрывная мембрана, 3 - огнетушащий порошок, 4 - генератор огнетушащего аэрозоля (ГОА), 5 - заряд аэрозолеобразующего огнетушащего состава (АОС), 6 - ресивер огнетушащего аэрозоля, 7 - корпус газогенерирующего устройства, 8 - заряд газообразующего состава, 9 - средства воспламенения, 10 - фильтр В качестве газогенерирующего устройства для разработки устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения использовался уже разработанный пиротехнический газогенерирующий заряд с содержанием в качестве газифицирующей добавки поливинилового спирта. Для обеспечения возможности подключения устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения в общую систему автоматического пожаротушения для воспламенения использовался электровоспламенитель.
В качестве аэрозолеобразующего огнетушащего состава использован состав СГХ, разработанный в инженерном центре СВС СамГТУ, генерирующий хлориды щелочных металлов (натрия и калия) в инертном беспримесном газе. Генерируемый аэрозоль характеризуется экологичностью (ПДК продуктов сгорания не менее 10мг/м3), низкой температурой на выходе из генератора (80-200 С) и высокой огнетушащей способностью (35-50 г/м3) ко всем основным классам пожаров, в том числе тлеющих очагов.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Срабатывание устройства происходит при подаче электрического импульса на средство воспламенения 9 от системы автоматической пожарной сигнализации или по команде оператора. Время работы ИХГ составляет 1-1,5 с, а ГОА - 30-35 с. При одновременном запуске ГОА 4 и ИХГ 7 нарастает давление внутри корпуса 1 и через 1,2-1,7 с происходит разрушение разрывной мембраны 2 и выброс огнетушащего порошка 3 в зону горения. При этом сначала защищаемое помещение заполняется порошковым облаком из огнетушащего порошкового состава с размером частиц 50-мкм. Затем через 8-10 с концентрация порошка крупной фракции снижается до 30%, но к этому моменту ГОА выдает 30-35% свежеобразованного огнетушащего аэрозоля мелкой фракции с размером частиц 0,1-5 мкм, причем ГОА продолжает генерацию аэрозоля еще в течение 15-20 с, создавая условия, препятствующие повторному возгоранию. При этом создаются лучшие условия для распространения образующегося мелкодисперсного аэрозоля, так как устойчивая конвекция очага к этому моменту уже практически разрушена. Немаловажно и то, что поверхности предметов оказываются защищенными осевшей крупной фракцией порошка.
Определена сфера применения и допуски разработанного устройства в практике пожаротушения. Сформулированы преимущества гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения перед существующими способами и средствами пожаротушения, основными из которых являются:
- при работе устройства газоаэрозольная струя истекает во флегматизированную атмосферу, разрушая конвективную колонку очага и зону подсоса окислителя, и экранирует горючие материалы от теплового потока;
- охлажденный ультрадисперсный аэрозоль эффективно предотвращает повторные возгорания при минимальных концентрациях.
Отмечено, что гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения характеризуется функциональной надежностью выброса огнетушащего порошка при работе ИХГ и стабильностью работы ГОА простой конструкцией по генерированию ультрадисперсного огнетушащего аэрозоля с высокой огнетушащей способностью.
В пятой главе приводятся результаты испытаний разработанных пиротехнических источников холодного газа в составе огнетушителей.
Определение возможности применения разработанных пиротехнических источников холодного газа для наддува конкретных порошковых огнетушителей производилось путем проведения натурных испытаний согласно требованиям нормативно-технической документации на переносные огнетушители и методы испытаний.
Для проведения испытаний были изготовлены опытные партии газогенерирующих зарядов и собраны источники холодного газа ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - 02.
Натурные испытания разработанных источников холодного газа проводились в составе порошковых огнетушителей с газогенерирующим устройством ОП-2(г) с массой огнетушащего вещества два килограмма производства Самарского завода противопожарного оборудования.
Результаты натурных испытаний показали, что технические характеристики пиротехнических источников холодного газа ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - соответствуют требованиям, предъявляемым к химическим источникам рабочего газа для наддува порошковых огнетушителей.
На основе разработанных газогенерирующих устройств Самарским заводом противопожарного оборудования освоено производство порошкового огнетушителя с массой огнетушащего вещества два килограмма ОП-2(г).
ВЫВОДЫ 1. На основании термодинамических расчетов характеристик горения пиротехнических газогенерирующих составов определены компоненты и их соотношения для создания рецептур газогенерирующих составов: нитрат калия - окислитель, бакелит - горюче-связующее, циануровая кислота и поливиниловый спирт - газифицирующие добавки.
2. Установлены закономерности горения пиротехнических газогенерирующих составов, разработаны и всесторонне изучены две рецептуры газообразующих составов: 1) нитрат калия - 58(4)%, бакелит - 25(3)%, поливиниловый спирт - 17(3)%, графит - 1% сверх массы, 2) нитрат калия - 65(4)%, бакелит - 20(3)%, циануровая кислота - 15(+3)%, графит - 1% сверх 100. Указанные рецептуры обеспечивают необходимые значения по скорости горения (2-3 мм/с) и удельной газопроизводительности (550 и 650 л/кг соответственно).
3. Исследован процесс зажигания, разработана рецептура воспламенительного состава и технология его нанесения на заряд, обеспечивающие надежное зажигание и минимальное время задержки воспламенения газогенерирующего заряда в составе газогенерирующего устройства: нитрат калия - 60(3)%, древесный уголь - 7(1)%, сера - 7(1)%, титан - 26(2)%, нитроцеллюлоза - 4,5(0,5)% сверх 100.
4. Сформулированы основные принципы компоновки конструкции зарядов и газогенерирующих устройств, обеспечивающие низкую температуру генерируемого газа и минимальный уровень внутрикамерного давления. На их основе разработана конструкция пиротехнических источников холодного газа ИХГ - 2(п) - 01 и ИХГ - 2(п) - 02 для наддува порошковых огнетушителей с массой огнетушащего вещества два килограмма. Источники холодного газа характеризуются сокращенным временем работы (менее 1,5 с), низкой температурой генерируемого газа (не более 150 С) и низким уровнем внутрикамерного давления (1,8-2 МПа). Разработано гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения (ГУАПП), которое является основным элементом для построения модульных автоматических установок пожаротушения.
5. На учебно-опытной базе СамГТУ Петра-Дубрава организовано опытное производство источников холодного газа. На основе выпускаемых газогенерирующих устройств Самарским заводом противопожарного оборудования разработан и сертифицирован порошковый огнетушитель с массой огнетушащего вещества два килограмма ОП-2(г), освоено его производство. Изготовлены также опытные образцы ГУАПП и проведены их испытания, подтвердившие эффективность и надежность работы.
Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях:
1. Самборук, А.Р. Газогенерирующее устройство с сокращенным временем работы для порошкового огнетушителя ОП-2(г) [Текст] / А.Р. Самборук, А.П. Амосов, О.И. Алтухов, И.А. Новоторов // Современные проблемы специальной технической химии. Материалы Международной научно-технической и методической конференции. Казань: Казанский государственный технологический университет, 2007. С.165-169.
2. Самборук, А.Р. Устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения [Текст] / А.Р. Самборук, А.П. Амосов, О.И. Алтухов, Кузнец Е.А., Фрыгин В.В. // Вестн. Сам.
гос. техн. ун-та. Сер. техн. науки, №4, 2010. С.92-101.
3. Самборук, А.Р. Разработка гибридного устройства аэрозольно-порошкового пожаротушения [Текст] / А.Р. Самборук, А.П. Амосов, О.И. Алтухов, Кузнец Е.А., Фрыгин В.В. // Современные проблемы технической химии. Материалы докладов Всероссийской научно-технической и методической конференции. Казань: Казанский государственный технологический университет, 2009. С. 393-401.
4. Алтухов, О.И. Порошковые огнетушители с газогенерирующими устройствами, с сокращенным временем работы и низкой температурой газа [Текст] / О.И. Алтухов // Будущее технической науки. Тезисы докладов VII Международной молодежной научно-технической конференции. Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2008. С.345-346.
5. Алтухов, О.И. Источники холодного газа для порошковых огнетушителей [Текст] / О.И. Алтухов // XVI Туполевские чтения. Труды Международной молодежной научной конференции. Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2008. Т. 1. С.299-300.
6. Алтухов, О.И. Гибридное устройство аэрозольно-порошкового пожаротушения [Текст] / О.И. Алтухов, А.П. Амосов, А.Р. Самборук, В.В. Фрыгин, Каплун Е.С.// Тезисы докладов XIV Симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка:
Институт проблем химической физики, 2008. С.14.
7. Алтухов, О.И. О порошковом огнетушителе с источником холодного газа и сокращенным временем работы [Текст] / О.И. Алтухов, А.П. Амосов, А.Р. Самборук, В.В. Фрыгин, Каплун Е.С. // Системы безопасности - 2009. Материалы восемнадцатой научно-технической конференции. Москва: Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, 2009. С.232-233.
8. Алтухов, О.И. Разработка рецептур пиротехнических газообразующих составов для наддува порошковых огнетушителей / О.И. Алтухов, А.Р. Самборук, В.В.
Фрыгин // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. техн. науки, №2, 2011. С. 83-90.
9. Алтухов, О.И. Термодинамический расчет температуры и состава продуктов горения пиротехнических газогенерирующих зарядов для наддува порошковых огнетушителей [Текст] / О.И. Алтухов, В.В. Фрыгин // Вестн. Сам. гос.
техн. ун-та. Сер. физ.-мат. науки, №3, 2011. С.143-148.
По результатам диссертационной работы получен патент РФ:
1. Пат. РФ. МПК А62С 2/00 (2006.01). Гибридное устройство аэрозольнопорошкового пожаротушения / Алтухов О.И., Амосов А.П., Каплун Е.С., Кузнец Е.А., Самборук А.Р., Фрыгин В.В. (РФ). - №91872; Заявлено 15.06.2009; Опубл. 10.03.2010, Бюл. №7. - 2 с.
Личный вклад автора. В опубликованных работах [4-9] автору принадлежат постановка задачи, реализация подходов к решению задачи, разработка методик, выводы. В работах [1-3] автору принадлежат описание результатов исследований, касающихся горения пиротехнических газогенерирующих составов. В работах [2, 4-9] автором выполнено редактирование работ при представлении их в печать и их корректировка по замечаниям рецензентов.
Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.Протокол №4 от 20.03.2012 г.
Заказ №291. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №1.
Отпечатано на ризографе уч.-изд. л.2,0. Тираж 100 экз.
Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ.
443100, г.Самара, Молодогвардейская ул., 244, Главный корпус.