Разработка огневого тренажера для подготовки ствольщика

Содержание

Введение...................................................................................................................3

1 Литературный обзор..........................................................................................7

2 Теоретические основы тушения пожаров ручными водяными стволами…31

3 Формулировка требований к профессиональным навыкам ствольщика.72

4 Требования к огневому тренажеру ствольщика.........................................74

5 Выбор вида топлива и огневого оборудования тренажера........................77

6 Описание эксперимента по тушению учебного очага горения в масштабной модели огневого тренажера ствольщика.........................................81

7 Расчёт и обоснование параметров огневого тренажера ствольщика…....87

8 Расчет площади очага горения……………………………………………………89

9 Разработка конструкции передвижного очага-препятствия……….…....92

10 Огневой расчет тренировочного пожара……….……………………...…..…...93

11 Расчет вентиляции и определение режимов тренировочного пожара….94

12 Экологическая часть……………………….……………………..……………..….97

13 Экономическая часть…………………………….…….….……….………………101

14 Заключение……………………………………….……………….…….…………....104

15 Список использованных источников…………………………………………..105

Введение

В настоящее время эффективных методик обучения тушению горящих помещений с ручным пожарным стволом не имеется. Существует традиционная практика передачи знаний, умений и опыта от старшего товарища младшему непосредственно при работе в подразделении. До 90-х годов ХХ века она давала в целом удовлетворительные результаты. Такая практика теперь уже не может быть основой подготовки ствольщиков в пожарной охране по следующим причинам:

Большая длительность. При обучении в условиях тушения реальных пожаров требуется не менее пяти лет практического обучения под руководством опытного и умелого наставника при условии частых выездов на пожар. При этом существуют значительные методические трудности, обусловленные невозможностью правильно сочетать глубокое теоретическое изучение явлений горения с отработкой действий ствольщика по тушению пожара при возникновении различных огневых явлений. Связано это с невозможностью прогнозировать время возникновения пожара и возникшую при пожаре огневую обстановку, из-за чего невозможно спланировать теоретическое обучение, дополненное соответствующей практикой.

Нерегулярность практики. Пожары, огневая обстановка на них и тактические ситуации при их тушении распределяются по времени случайными и непредсказуемым образом и даже хорошо подготовленный под руководством наилучшего наставника ствольщик может не встретиться на практике с некоторыми важными случаями тушения и не иметь соответствующих практических навыков. В действительности очень многие опытные и длительно работающие пожарные имеют большие трудности с такими важными умениями, как, например, работа при пенной атаке с подачей генераторов от нескольких автомобилей. Что касается умения работать со стволом на позиции, то и здесь ствольщики, активно продвигающиеся со стволом к очагу горения являются редкостью. Среди пожарных преобладает стремление тушить пожар из «безопасного» места, то есть когда на позиции ствольщика отсутствуют опасные факторы пожара, даже если штатная экипировка пожарных по защитным свойствам значительно превосходит величину опасных факторов в местах, которые являются оптимальными для хорошей позиции. Это всеобщее нежелание продвигаться в «опасные» места, которые на самом деле являются вполне безопасными для экипированного пожарного и которые являются необходимыми для успешного тушения боевыми позициями, четко подтверждается таким фактом: в нашей пожарной охране отсутствует понимание, что огнестойкий подшлемник категорически необходим при тушении, так как без него вся остальная экипировка (боёвка, сапоги, дыхательный аппарат) теряют весь смысл как защита от повышенной температуры. Пожарные, не снабженные огнестойкими подшлемниками и те, кто ими не пользуется, совершенно точно не работают при тушении пожара современным образом, то есть не практикуют продвижение к очагу. Они воочию видят огонь только в двух случаях: когда пожар ещё маленький и температура в помещении, по сути, не поднялась (не выше 70єС) и в случае, когда огнем охвачено всё помещение, остекление вскрылось и огонь виден им с улицы через оконные проёмы и прогары в стенах и кровле. А если помещение с высокой температурой преградит таким специалистам путь к остальным помещениям в здании, даже не горящим, то всё здание, по крайней мере весь этаж, обречены полностью сгореть. Примеров весьма немало, из крупных — пожары в издательстве «Московская правда» и Центре реставрации им. Грабаря.

Всё это следствие положения с подготовкой ствольщиков в пожарной охране. Лучшие из существующих методик представляют из себя в основном теоретическое обучение, предоставляющее современную информацию об основах горения и взрыва, процессах теплообмена сплошных и распыленных водяных струй с раскаленной газовой средой и с горящими поверхностями, о свойствах дыма, пожарных стволах и рукавных схемах, применяемых при тушении. Этой информацией обосновываются современные правила и приемы работы со стволом. Обучение данным приемам происходит затем на открытой площадке без использования огня, либо с применением имитаторов дверей — обучаемых учат правильно входить в горящее помещение с применением мер защиты от выброса огня. Также на открытой площадке возможно обучать и тренировать пожарных правильному продвижению со стволом «в горящем помещении» и приемам управления формой и интенсивностью струй. Большинство пожарных не имеют доступа и к таким, условным, методам подготовки. Реальные навыки и умения в настоящее время дает только непосредственная работа со стволом в горящем помещении на реальном пожаре.

Такое положение ненормально, так как приводит к тому, что хорошо тушить мало-мальски нормальный пожар могут считанные десятки пожарных.Серьезных пожаров мало (а будет ещё меньше в десять раз, об этом говорит опыт западной Европы) и необходимое для формирования хороших умений число реальных случаев работы со стволом в горящем помещении набирается сейчас за шесть-восемь лет работы. Так получается, что многие приобретают умение тушить ближе к концу срока работы пожарным. Действительно, пожарные недавнего прошлого (70, 80 и 90 годы ХХ века) части имели превосходные навыки продвижения со стволом к очагу и тушения пожара за счет большего количества потушенных пожаров и трехкараульного графика работы. Выход видится во внедрении практического обучения на специально созданном тренажере. Тогда возникнут предпосылки для методически правильного обучения с соблюдением принципов связи теории и практики, обучения от простого к сложному, принципа многократного повторения. Будет соблюдаться и самый важный принцип обучения — принцип активности обучаемых. При столкновении с реальным огнем и опасными факторами пожара, пусть и в безопасных, контролируемых условиях, у обучаемых возникает огромное желание научиться правильно тушить. Как показывает опыт проведения экспериментов с моделями огневого тренажера, у многих пожарных это желание проявляется в положительных эмоциях от работы с близким мощным пламенем и высокой температурой в безопасных условиях (за счет эффективной защитой экипировки).

Целью данной работы является разработка огневого тренажера для подготовки ствольщика, а также экспериментальное определение параметров, влияющих на проведение тренировок.

Задачами данной работы являются Расчет параметров модельного пожара и условий достижений необходимых режимов пожара. Определение геометрических характеристик тренажера. Проведение натурных огневых испытаний на масштабных макетах тренажера

1 Литературный обзор

Существует большое количество работ зарубежных исследователей, посвященных натурному огневому обучению пожарных. Первоначально обучение пожарных работам по тушению пожаров с реальным огнем и соответствующие натурные учебные объекты были внедрены в практику в объектовых подразделениях, предназначенных для тушения пожаров, сочетающих высокую важность и ответственность результата тушения и редкость пожаров, например в аэропортах, на химических, нефтяных предприятиях (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Огневой симулятор самолета в аэропорту Ротердам (Нидерланды)

Несколько позже, по мере снижения количества пожаров, необходимость обучения пожарных обучению работы со стволом на пожаре возникла и в городских пожарных подразделениях

Большинство работ рассматривают проблему натурного обучения пожарных распознаванию важных газодинамический явлений на пожаре. К наиболее важным из таких явлений относят разного рода вспышки (например, общая вспышка, выброс пламени), быстрое распространение пожара, выброс раскаленного пара. Большое внимание к натурному моделированию данных явлений при обучении пожарных проявляют не только исследователи, но также и руководство пожарной охраны ряда зарубежных государств. Такое внимание ученых, практиков и руководителей к обучению пожарных с применением натурного моделирования вспышек и выбросов объясняется распространенной на западе точкой зрения, что такие явления создают большую опасность для пожарных, при этом, с одной стороны, невозможно полностью исключить работу пожарных в условиях, угрожающих вспышкой, с другой стороны, данные явления предваряются рядом достаточно заметных признаков, и поэтому хорошо поддаются прогнозированию, причем имеются эффективные меры подавления вспышек и предотвращения ущерба для пожарных, такие, как охлаждение распыленной водой нагретого газового слоя, тактическая вентиляция (естественная и напорная), своевременный отход из опасной зоны и прочие.

ШанРафель (ShanRaffel), начальник пожарной части из Квисленда, Австралия, в своей статье [10] рассказывает, о принятых в Австралии реалистичных методах обучения, призванных научить поведению пожара в замкнутых объемах (отсеках). Цель обучения – научить пожарных тому, как пожар развивается в замкнутых объемах, и как распознать и безопасно справиться с выбросами пламени, обратной тягой и другими чрезвычайно опасными проявлениями пожара. Эти методы тренировок были разработаны в Швеции, где они были включены в базовый курс подготовки пожарных с середины 80-х. Пожарный должен выполнять свои обязанности в очень неблагоприятных условиях. ШанРафель сообщает, что обстановка типичного пожара в зданиях и сооружениях может быстро меняться от кажущейся относительно стабильной до адских условий с температурами более 1000 градусов Цельсия под потолком и более 300 градусов Цельсия на уровне пола. Хотя такие изменения бывают внезапными, их можно предвидеть, если распознать соответствующие признаки. Пока пожарный не будет «читать» сигналы, посылаемые пожаром, он будет становиться жертвой, вместо того, чтобы быть спасателем. Поэтому важно, чтобы пожарный имел твердое понимание фундаментальных основ поведения пожара. Это может быть достигнуто только путем, позволяющим пожарным увидеть фазы развития пожара в реалистичной, безопасной, контролируемой и предсказуемой среде, например в огневых симуляторах (см. рисунок 2)

Рисунок 2 - Схема огневого симулятора шведского типа.

Только таким образом пожарный может увидеть результаты различных методов пожаротушения и динамику развития процессов. Это приводит к пониманию последствий своих действий не только для пожара, но и для людей, находящихся в здании, других пожарных и, возможно, для распространения пожара на прилегающие территории. Только затем можно получить полную выгоду от следующего этапа «реалистического обучения» - так называемой тактической огневой подготовки.

В Австралии законодательство устанавливает «Обязанность соблюдать осторожность» как работодателя, так и работника, и их ответственность за обеспечение безопасности на рабочем месте. Работодатель отвечает за то, чтобы угроза была распознана, риск оценен, и были предприняты необходимые меры чтобы исключить или снизить этот риск. Это подразумевает не только соответствующую защитную одежду, но и безопасные приемы работы и соответствующую подготовку.

Многие противопожарные службы признали тренировки в условиях, приближенных к реальным, необходимыми и развивают их для своих сил немедленного реагирования. Пожарно-спасательная администрация Квинсленда провела обширные исследования и в настоящее время проводит основанный на реалистичной имитации курс по пожаротушению в зданиях и сооружениях.

Первые результаты организации такого курса выразились в том, что число несчастных случаев с пожарными стало заметно снижаться. Обычно, тренировки с использованием огневых средств имитации проводятся, чтобы имитировать условия, характерные для борьбы с нефтехимическими и газовыми пожарами. Это, в основном, «тренировки на свежем воздухе». С целью организации тактических тренировок на огневых симуляторах, имитирующих условия пожаротушения в зданиях и сооружениях, на воздушных судах и кораблях и т.д. строятся специальные здания. Имитация огня, в основном, обеспечивается с использованием бытового газа, потому что он сгорает без остатка и легкодоступен. Проблема заключается в том, что использование бытового газа не позволяет пожарному получить опыт тушения пожара в замкнутых объемах с имитацией начальной стадии развития вспышки, или тренироваться с эффектами, возникающими при направлении струй воды различной конфигурации на дым, зону горения или взрывоопасный слой, возникший из-за скопления богатых энергией продуктов пиролиза.

Пожарно-спасательная администрация Квинсленда осознала необходимость иметь для пожарных альтернативную возможность изучения поведения пожара и отработки техники пожаротушения в контролируемых условиях. Огневая тренировка рассматривается, как основа для понимания поведения пожаров в отсеках.

В своей основополагающей работе «Тактика пожаротушения»[1]

П. Гримвуд и К. Десмет обращают внимание на то, что условия работы пожарных сильно изменились за последние 50 лет произошли огромные изменения в строительных материалах и типичном содержимом зданий и сооружений. Наиболее знаковым для пожарных явилось широкое использование синтетических материалов и пластиков. Эти материалы не сгорают «чисто», но производят большие объемы плотного, черного, богатого энергией дыма. Несгоревшие газы в этом дыму концентрируются под потолком помещения и постепенно нагреваются до температуры самовоспламенения. Результатом может стать быстрая вспышка газов, производящая волну пламени, которая распространяет тепло на пожарных и содержимое помещения.
В мире также произошли огромные изменения в защитной одежде и оборудовании пожарных. Наиболее значимым стало широкое использование изолирующих дыхательных аппаратов. Произошли также изменения в боевой одежде, составе подразделений и средствах связи. Результатом этих изменений стало то, что пожарные могут входить глубже в здания и оставаться там дольше, чем когда-либо раньше. В общем, все это позволило пожарным делать свою работу с большей безопасностью и эффективностью. Однако это создало и новые проблемы.

Стало увеличиваться число пожарных, убитых или травмированных внезапными проявлениями пожара такими, как выбросы пламени и обратная тяга. Во многих странах наблюдается тенденция связывать это с комбинацией улучшенной защитной одежды и использованием дыхательных аппаратов, позволяющей пожарным глубже проникать в здания и сооружения. Одновременно, улучшение теплоизоляционных свойств защитной одежды снижает возможность почувствовать большие тепловые потоки. Нет сомнений, что это только часть общей картины. То, что, к несчастью, упускали пожарные из виду, это взрывоопасная природа дыма в современных зданиях.

Городские пожарные часто прибывают на пожары в зданиях, к моменту, когда пожар достигает фазы «предвспышки». Они могут легко оказаться в ситуации, когда неспособность распознать признаки неизбежной вспышки и принять соответствующие меры предосторожности, может привести к опасной для жизни ситуации. Часто ситуации, которые выглядят очень опасными, не являются таковыми, а иногда и «рутинный пожар» превращается в угрожающий жизни.

По мнению Гримвуда и Десмета, реалистичная тренировка пожарных на огневых симуляторах дает возможность наблюдать и понимать развитие пожара в зданиях и учит, как не стать жертвой выброса пламени или обратной тяги.
Жизненно важно осознать, что дым может воспламениться после выхода из помещения, в котором он возник. Этот холодный серый дым, который раньше практически не рассматривался, как опасность, при соответствующих условиях может воспламеняться с катастрофическими последствиями. Эта «отложенная вспышка» может быть неожиданной и очень мощной. Она может стать причиной гибели большого числа пожарных.

По всему миру на пожарные департаменты осуществляется огромное давление с целью снижения расходов. Во многих случаях это достигается уменьшением численности расчетов и к ситуации, когда «молодые» пожарные не имеют возможности, как раньше, под руководством опытных товарищей, получить навыки, необходимые для безопасного выполнения поисково-спасательных работ и агрессивного наступления на очаг пожара. К тому же вследствие большой работы по пожарной профилактике со стороны застройщиков, эксплуатантов зданий, страховых компаний и пожарных инспекторов, а также благодаря массовому применению автономных пожарных извещателей, развившиеся пожары стали происходить намного реже, что также сильно снижает возможность для пожарных учиться на собственном опыте.

ШанРаффель пишет, что в Австралии востребован на опыт шведской пожарной охраны: В противоположность остальному миру, в Швеции не отмечено случаев серьезных травм и гибели пожарных от вспышек и выбросов пламени с момента введения в 80 годах XX века в программу подготовки пожарных тренировок с «живым» пламенем на огневых симуляторах, имитирующих эффекты вспышки.

В Швеции теорию взрываемости дыма поняли уже давно, и с середины 1980-х стали применять практические методы тренировки пожарных распознанию, предвидению и борьбе с феноменом вспышки. Такой подход позволил снизить количество пожарных, убитых вспышками и обратной тягой с примерно 3-х человек каждые два года до НУЛЯ с начала тренировок в условиях, приближенных к реальным.

Традиционно, пожарные настроены на подавление очага или «основы» пожара – то есть места, где происходит сгорание пожарной нагрузки. При тушении пожара в замкнутых объемах это может привести к доставке со струей воды дополнительного кислорода в слой сверхнагретых сгораемых продуктов пиролиза в около потолочном пространстве. Это может привести к вспышке и последующей обратной тяге. Шведский метод тушения более целостный и направлен на охлаждение, разбавление и удаление взрывоопасного дыма с целью предотвращения вспышки и обратной тяги, а также облегчения поиска пострадавших и очага пожара с обеспечением большей безопасности и эффективности. Очень важно, чтобы пожарный понимал, что этот взрывоопасный слой дыма может самовозгораться при достижении температуры самовоспламенения (при поступлении достаточного количества кислорода). Это может произойти в комнате, где этот взрывоопасный дым образовался, или в других помещениях, куда он мог распространиться.

Одним из главных факторов, которые привели к переосмыслению в Швеции, стал трагический пожар в 1985 году, в результате которого два пожарных потеряли жизнь, когда, казалось, потушенное пламя внезапно превратилось в огненный шар. Это произошло всего через несколько месяцев после гибели двух пожарных в результате выброса пламени. Эти события изменили Шведскую противопожарную службу. Было проведено национальное исследование проблемы, в результате которого большой количество рекомендаций стало законом. Была пересмотрена тактика работы в дыхательных аппаратах и были введены правила, по которым все подразделения обеспечивают работу газодымозащитников так называемыми звеньями «ныряльщиков в дым», состоящими из двух пожарных (ныряльщиков в дым), и руководителя, который обеспечивает управления работой в дыхательных аппаратах на границе задымленной зоны. Он также должен быть обеспечен заполненной рабочей линией и поддерживать радиосвязь. Его основная задача – убедиться в безопасности расчета. Были введены нормативы по физической подготовке и ежегодные тесты. Было также понимание того, что для пожарных необходимо иметь четкое понимание поведения огня и развития пожара в зданиях и сооружениях.
За несколько лет до этих событий, два Шведских пожарных инженера, КристерГислессон (KristerGiselsson) и МэтсРозандер (MatsRosander) выработали несколько радикальных теорий по взрываемости дыма. В попытках доказать свои теории они бросили вызов существовавшим знаниям и науке поведения огня в замкнутых объемах. КристерГислессон и МэтсРозандер[12] взглянули под новым углом на огнестойкость, причины трагических случаев на пожарах и, самое главное, техники тушения пожара, которые должны усилить безопасность пожарных.

Примерно в то же время, Андерс Лаурен (AndersLauren), командир пожарной части противопожарной службы Стокгольма, претворил теории Гислессона и Розандера в жизнь, производя реальные поджоги в выселенных зданиях.

Это, конечно, обеспечивало ограниченные возможности, и Лаурен обратился к Гислессону за помощью в развитии идеи по модификации грузовых контейнеров в огневой симулятор, имитирующий пожар в здании. Это переделанные грузовые контейнеры, рассчитанные на горение пяти листов ДСП.

Эти симуляторы, основанные на проверенных методах впервые были внедрены АндресомЛауреном из противопожарной службы Стокгольма. Эти симуляторы также подтвердили теорию взрываемости дыма. Было четко видно, что когда в заднем углу контейнера горит небольшая связка дров, весом около 20 кг, то другим доступным топливом в металлическом контейнере может быть только дым. Можно было видеть горящий дым, катящийся кольцами вдоль негорючего металлического потолка.

Рисунок 3 - Тренировка в огневом симуляторе

Как только температура достигала порога самовоспламенения, появлялись языки пламени даже вдали от очага. Секунды спустя происходила вспышка дымового слоя. Эта вспышка «пожарных газов» и ее тепловое излучение приводили к моментальному воспламенению всех других сгораемых материалов в помещении (вспышка). Она достигается использованием огневых симуляторов вспышки. Это переделанные грузовые контейнеры, рассчитанные на горение пяти листов ДСП. Эти симуляторы, основанные на проверенных методах впервые были внедрены АндресомЛауреном из противопожарной службы Стокгольма. И пожарными инженерами КристеромГиселссеном и МатсомРосандером. Их методы были внедрены Шведским агентством спасательных служб с середины 80-х годов и стали основой всех тренировок по «Пожаротушению в зданиях и сооружениях». Сегодня, спустя более, чем 30 лет проведения таких тренировок, Шведы являются признанными мировыми экспертами в пожаротушении. Многие противопожарные службы мира сегодня используют Шведский метод подготовки.

В последние 10 лет в Швеции появились огневые тренажеры для подготовки ствольщиков, работающие на газовом топливе (см. рисунок 4). Их недостатком является условный характер тренировки: оператор тренажера управляет интенсивностью подачи и перекрывает поток газа при правильных действиях тренирующегося, то есть ход тренировки на прямую не зависит от правильности действий ствольщика.

Рисунок 4 - Огневой тренажер ствольщика на сжижженом газе, г. Ревинг (Швеция)

В настоящее время в большинстве европейских стран для обучения пожарных используются огневые симуляторы шведского типа.

В США также повсеместно распространена практика натурных тренировок пожарных с огнем в огневых симуляторах Шведского типа, которые там получили название CompartmentFireBehaviorTrainingsimulator (CFBT) – «Тренажер поведения огня в отсеке» (см рисунки 5 и 6).

Рисунок 5 - Занятие в cимуляторе CFBTг.Нью-Йорк (США)

Рисунок 6 Пожарные США у огневого симулятора.

Эд Хартин(EdHartin) в работе «Натурные тренировки в огневом симуляторе: роль достоверности моделирования ОФП в эффективности тренировок» [3] пишет, что на безопасность и эффективность действий пожарных по тушению пожара большое влияние имеет ясное понимание им динамики горения, а также наличие прочных навыков тушения и опыта действий в реальной обстановке. Для хорошей подготовки пожарных и командиров требуется создавать учебные объекты (и методики их обучения с их применением), которые создают высокий уровень физической достоверности моделируемых факторов (горит и задымляется так же, как в жизни), также высокий уровень функциональной достоверности (работает, открывается, имеет ширину проходов, размер и направление открывания окон, как в жизни). Стандартные для США методы реальных огневых тренировок на базе контейнерных симуляторов поведения огня (CompartmentFireBehaviortraining (CFBT) (см. рисунок 6) обеспечивают высокую физическую достоверность, но низкую функциональную (контейнерный симулятор не похож ни на какое помещение в реальных домах, к тому же совершенно не моделирует планировку зданий).

Рисунок 6 - Огневой симулятор CFBT г. Феникс (США).

Эд Хартин делится опытом создания полноразмерных учебных объектов для тренировок с реальным огнем (причем, нередко с большой площадью и мощностью горения). Кроме стандартных контейнерных огневых симуляторов предложено использовать предназначенные под снос жилые дома, специально подготовленные для проведения тренировок пожарных. Для этого из дома удаляют мебель и обшивают его листовым трудногорючим или негорючим материалом (гипсокартоном, асбестоцементной плитой, оцеитом). Для тренировки в помещениях размещают мебель, личные вещи и прочую горючую нагрузку, в соответствии с задачами тренировки. В течении учебного дня проводят до 5 тренировок. Также Эд Хартин делится опытом строительства капитальных «Огневых домов» с огневыми очагами на газовом топливе (пропан-бутановой смеси) и «Огневых домов», составленных из морских контейнеров с очагами на газовом топливе и на твердом топливе (см. рисунок 7). При этом физическая достоверность симулятора на твердом топливе значительно превосходит газотопливные.

Рисунок 7 - Огневой симулятор и огневой дом в г. Остин (США)

Самым главным является то, чтобы пожарные понимали различные явления, как они случаются, как распознать условия, которые могут вызвать эти явления, и, самое важное, как безопасно справиться с этими феноменами. Методы подготовки, разработанные Гиселссоном, Розандером и Лауреном привели к значительному увеличению безопасности пожарных и эффективности их действий.

В России и Советском Союзе практические занятия с пожарными по пожарно-строевой подготовке с применением открытого огня проводились ещё в конце XIX века. Данные упражнения сводились к тренировкам по применению огнетушителей и других первичных средств пожаротушения для тушения небольших загораний в противне, заполненном небольшим количеством жидкого топлива поверх слоя воды, а также к психологической подготовке пожарных по работе в присутствии открытого пламени и при несколько повышенной температуре. О таких тренировках можно прочитать в работах Э.Э. Лундта. [14] При развитии в СССР массовой Газодымозащитной службы пожарной охраны , оснащенной эффективными СИЗОД, (конец 1930 - 1950 годы), потребовалось организовать систематические и приближенные к реальным условиям тренировки по работе пожарных в СИЗОД в непригодной для дыхания среде, для чего стали применяться специальные учебные объекты — теплодымокамеры различных конструкций и с разнообразными источниками задымления — от сжигаемых покрышек и тлеющей соломы до глицеринового дыма. В 70 годах XX века известный исследователь психологии пожарного дела А.П. Самонов провел большую исследовательскую и организационную работу по разработке конструкции и методики психологической и специальной подготовки пожарных-газодымозащитников в звукотеплодымокамере. [16], результатом которой стало проектирование типовой теплодымокамеры для тренировки личного состава во всех гарнизонах пожарной охраны республик и областей СССР. Психолога А.П. Самонова профессионально интересовали вопросы психологической готовности пожарных, его задачей было обосновать такой процесс их психологической подготовки, который обеспечит оптимальное психологическое состояние «готовности при работе на пожаре. Экспериментально выявив, что пожарные, у которых развито психологическое качество, названное Самоновым «тягой к риску», значительно успешнее работают в ситуации стресса на пожаре, Самонов видел две важные задачи: а. Выявлять и отбирать среди кандидатов в пожарные лиц с развитой «тягой к риску» и б. Повышать готовность пожарных к работе в экстремальных ситуациях путем тренировок в условиях, максимально приближенных к экстремальным условиям пожара. Таким образом, Самонов старался при разработке учебных объектов (звукотеплодымокамеры и огневой полосы психологической подготовки) в максимальной степени нагрузить их стрессогенными факторами.

Напротив, зарубежные исследователи приняли концепцию тренировок в безстрессовой обстановке: чтобы пожарные могли компетентно и безопасно работать в опасных ситуациях и условиях, в которые они нередко попадают, они должны тренироваться в условиях, приближенных к реальным, однако в безопасной безстрессовой обстановке (ШанРаффель). Это обеспечивает понимание и позволяет научится распознавать условия, которые могут угрожать их жизни.

В конце 90-х годов XX века в г. Петрозаводске, а затем и в ряде других городов России были созданы огневые симуляторы шведского типа для обучения пожарных действиям при угрозе вспышки и выброса пламени (см рисунок 8). В 2008 году группа пожарных и спасателей (Д.Ф. Штыров, Д.А. Большаков) обучилась в петрозаводском гарнизоне при содействии начальника спецчасти г. Петрозаводска Д.А. Ширлина методике проведения занятий с газодымозащитниками в огневом симуляторе вспышки шведского типа.

Рисунок 8 - Огневой симулятор в г. Петрозаводск.

Полученные знания и опыт позволили Штырову и Большакоову создать на базе ОАО «ПТО ПТС» огневой симулятор «Уголёк» (см рисунки 9,10), впоследствии широко внедрённый в практику пожарной охраны.

Огневой симулятор «Уголёк», подобно шведским симуляторам и американским симуляторам CFBT, в основном применяется для динамики развития пожара и показа газовых эффектов вспышки и признаков скорой вспышки на пожаре, а также используется для обучения пожарных действиям со стволом при угрозе вспышки и при попадании в выброс пламени. Для обучения тушению огня, использовать огневой симулятор вспышки практически нецелесообразно из-за небольшого объема и площади зоны горения, которые не обеспечивают устойчивого горения при попытках тушения.

Рисунок 9 - Огневой симулятор «Уголек» ПТО ПТС в д.Сынково.

Рисунок 10 - Тренировка в огневом симуляторе «Уголек».

Чтобы обеспечить максимальный эффект от тренировок в условиях, приближенных к реальным, необходимо, чтобы пожарный имел теоретическое понимание природы пожара в замкнутых объемах. Это может быть достигнуто через комбинацию теории, небольших демонстраций, затем обучения на оборудовании, специально разработанном, чтобы безопасно научить пожарного всем стадиям развития пожара в замкнутых объемах. После этого пожарный готов к тренировки в условиях, приближенных к реальным, на огневом симуляторе. Следующий логичный шаг – использование выселенных зданий для контролируемых тренировок по пожаротушению (см. рисунок 11).

Рисунок 11 - Тренировка в выселенном доме.

Разбор реалистичных тренировочных упражнений может оказать огромную помощь в распознании и устранении дефектов в обучении, оборудовании, защитной одежде и тактике действий. Заключительный шаг – это разбор реальных случаев.

В России для обучения работе ствольщиков с пожарными стволами, в рамках дисциплин «Пожарно-строевая подготовка» предлагаются различные упражнения, не связанные с тушением реальных очагов пожара. В соответствующем учебнике [17] сказано, что «...Лучшим методом обучения и тренировки ствольщиков является практическое исполнение ими упражнений на местности, затем — на высоте. В качестве примера можно привести упражнения со стволами для ствольщика из различных положений. Упражнения: работа со стволом РСК-50 из различных положений: стоя, с колена и лежа — по мишени; работа со стволом РСК-50 с выдвижной пожарной лестницы и сидя на подоконнике; создание различных струй...»

В 2011-2014 годах Московском учебном центре ФПС ГПС МЧС России преподаватель А.В. Ананьин в статье [18] сообщает о практике применения при обучении начинающих пожарных методики обучения приемам работе со стволом на открытой площадке без использования огня, либо с применением имитаторов дверей — обучаемых учат правильно входить в горящее помещение с применением мер защиты от выброса огня. Также на открытой площадке обучают и тренировать пожарных правильному продвижению со стволом «в горящем помещении» и приемам управления формой и интенсивностью струй. Обучение происходит без создания огневой обстановки.

2 Теоретические основы тушения пожаров ручными водяными стволами

В практике пожарной охраны ствольщики тушат ручными водяными стволами в основном внутренние пожары твердых горючих материалов и, несколько реже, пожары твердых горючих материалов на открытых площадках. Для тушения пожаров горючих жидкостей в резервуарах как правило, применяют пенное тушение. Тушение горючих жидкостей ручными стволами на практике встречается, в основном, при тушении пожаров автомобилей, как решение задачи, сопутствующей тушению автомобиля, то есть комбинированного пожара твердых и жидких горючих материалов на открытой площадке. Следовательно, учить ствольщиков пожарной охраны необходимо, в основном, тушению внутренних пожаров твердых горючих материалов.

Рассмотрим свойства твердых горючих материалов, закономерности протекания внутренних пожаров, условия прекращения горения, свойства воды как огнетушащего материала и способы тушения ручными водяными стволами.

Классификациятвердыхгорючихматериалов

Твердыми называются материалы, температура плавления или разложения которых превышает 50 °C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (древесина и др.) (ГОСТ 12.1.044–89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов»).

ТГМ можно классифицировать по нескольким признакам:

– по химическому составу,

– по поведению при нагревании.

Классификация ТГМ по химическому составу

К углеводородам относят природные, искусственные и синтетические полимерные материалы, в состав которых входят углерод, водород, азот и кислород. По структуре углеводороды – это материалы однородного строения.

Целлюлозосодержащие материалы – отдельная подгруппа природных органических веществ, основой которых служит целлюлоза. К ним относятся полимерные материалы растительного происхождения (древесина, хлопок и др.), которые в отличие от искусственных и синтетических полимеров являются не однородными материалами, а смесью природных полимеров. Поведение всех растительных материалов в условиях пожара похоже, по этой причине их и объединяют в одну группу.

Элементорганические соединения – органические вещества, в состав которых входят такие элементы, как сера, фосфор, кремний, галогены и металлы. В условиях пожара элементорганические соединения образуют особо токсичные вещества.

Неорганические твердые горючие вещества – это металлы и неметаллы. Практически все металлы при нормальных условиях окисляются на воздухе. Но к горючим относятся только те, которые могут воспламеняться на воздухе от открытого источника зажигания средней мощности и самостоятельно гореть после его удаления. К наиболее горючим относятся щелочные и щелочно-земельные металлы.

К неметаллам относят фосфор, мышьяк, кремний, серу. Механизм их воспламенения во многом напоминает особенности горения металлов.

ТГМ можно также классифицировать по поведению при нагревании

– безгазовые(практически не переходящие в газообразное состояние);

– газифицирующиеся при нагревании.

Подавляющее большинство конденсированных веществ относятся ко второму классу. При нагревании они газифицируются, после чего осуществляется гомогенное горение продуктов газификации.

В свою очередь, газифицирующиеся ТГМ делят на две большие группы, исходя из того, каким образом они переходят в парогазовое состояние. Твердые горючие вещества, которые переходят в газообразное состояние через жидкую фазу (в условиях повышенной температуры плавятся), принято называть ТГМ первого рода. Процесс воспламенения ТГМ первого рода повторяет процесс подготовки и воспламенения горючих жидкостей. Их горение протекает в гомогенном режиме.

Твердые горючие материалы, которые переходят в парогазовое состояние, минуя жидкую фазу за счет сублимации или термической деструкции молекул, принято называть ТГМ второго рода. При горении веществ этой группы возможен как гомогенный, так и гетерогенный режим горения.

Общие закономерности воспламенения и горения твердых горючих материалов

Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с процессами горения газов и жидкостей. Однако кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении.

Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:

- Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага.

- Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода – сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов.

- Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев.

- Самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением.

Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме того, необходимы затраты на плавление и разложение.

На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы.

Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.

Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии, для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность
материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала.

Распространениепламени поповерхноститвердыхгорючихматериалов

После воспламенения ТГМ происходит перемещение фронта пламени по поверхности. Распространение горения протекает за счет передачи тепла от зоны горения к еще негорящим участкам материала. Передача тепла осуществляется за счет излучения, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих с этими видами теплопередачи, может быть различным. Поэтому скорость распространения пламени по поверхности ТГМ зависит от условий горения.

Наибольшее влияние на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ оказывают следующие факторы:

– природа материала, его физико-химические свойства (скорость образования летучих продуктов);

– влажность материала;

– ориентация образца материала в пространстве;

– скорость и направление воздушных потоков;

– начальная температура материала;

– геометрические размеры образца материала (толщина, дисперсность).

На ординарных пожарах наиболее распространенным горением является горение материалов, основой которых является целлюлоза. Характерный пример материала такого рода – древесина.

Древесина состоит из комплекса органических веществ, в состав которых входит углерод (49,5 %), кислород (44,1 %), водород (6,3 %) и азот (0,1 %). Кроме органических веществ древесина содержит минеральные соединения, которые при сгорании дают 0,2–1,7 % золы. Наибольшее количество золы приходится на кору и листья. В золе из древесины сосны, ели и березы содержится свыше 40 % солей кальция, более 20 % солей калия и натрия и до 10 % солей магния.

Рассмотрим поведение древесины (как наиболее распространенного горючего материала) при нагревании.

Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов и может протекать сразу в двух режимах – гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы:

1) гомогенное (то есть пламенное) горение газообразных продуктов разложения;

2) гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.

Горению предшествует фаза нагрева поверхности, при которой начинается пиролиз – процесс разложение древесины при нагревании. При этом образуются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола) продукты, а также твердый остаток – древесный уголь.

В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соответственно при 200–260, 240–350 и 250–400 °C. Пиролиз древесины – экзотермический процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1150 кДж/кг).

Если пиролиз протекает без доступа воздуха, то при повышении температуры до 170 °Cиз древесины выделяется вода, при температуре от 170 до 270 °Cначинается разложение древесины и при 270–280 °Cпроисходит энергичное обугливание древесины с бурным выделением тепла. С 280 до 380 °Cидет главный период сухой перегонки с выделением жидких веществ – уксусной кислоты, метилового спирта, скипидара и легкой смолы. Перегонка практически заканчивается при температуре 430 °Cс образованием черного угля (примерно в количестве 19 % от веса сухой древесины).

Газообразные продукты (неконденсирующиеся газы) при пиролитическом разложении древесины без доступа воздуха включают диоксид (45–55 % по объему) и оксид (28–32 %) углерода, водород (1–2 %), метан (8–21 %) и другие углеводороды (1,5–3,0 %).

Но так как пламенное горение – это процесс, идущий только при доступе воздуха в зону горения, то и состав продуктов пиролиза в этом случае будет отличаться. В целом можно спрогнозировать обогащение зоны горения также и парами жидкофазных продуктов пиролиза, снижение содержания СО2 за счет разбавления зоны горения воздухом, а также наличие газообразных продуктов пиролиза в концентрациях между нижним и верхним концентрационным пределом воспламенения.

Стадия пламенного горения занимает достаточно короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55–60 % всей энергии. Скорость же гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности. Часто гетерогенное горение называют тлением.

Тление – это беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление может происходить и за счет кислорода воздуха, и за счет кислорода, содержащегося в порах и химической структуре материала.

К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалов растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пенофенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению.

Возникновение и развитие газообмена при пожаре

Статическое давление газовой смеси внутри помещения и воздуха снаружи изменяется по высоте в соответствии с законом Паскаля. В первом приближении можно считать, что это распределение является линейным и описывается выражением: р = р₀ – ρgh, где р – давление столба газа высотой h, Па; р₀ – давление газа на базовой плоскости (h = 0), Па.

До пожара распределение давлений воздуха по высоте внутри и снаружи помещения, как правило, складывается так, что в верхней части давление больше, а в нижней части – меньше атмосферного (рис. 12).

На некоторой высоте давление воздуха внутри равно давлению снаружи. На этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, которая называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается h_н.з.

Через все отверстия, расположенные выше ПРД, воздух вытекает из помещения, ниже ПРД – поступает в помещение (см. рисунок 12).

Возникновение очага горения в помещении сразу вызывает повышение давления газовой среды, так как объем продуктов горения, даже при нормальных условиях, больше объема израсходованного воздуха. Среднеобъемная температура и, соответственно, плотность газовой среды в первый момент изменяются незначительно. В соответствии с выражением p = p₀ – ρgh распределение давлений по высоте помещения также остается практически неизменным. В результате этого давление газов внутри помещения на всех уровнях возрастает на одну и ту же величину, эпюра давлений смещается практически параллельно, ПРД опускается. При этом, как правило, ПРД оказывается ниже нижней отметки проема, и газы вытекают из помещения через все имеющиеся отверстия (открытые проемы, щели и т. п.) независимо от их расположения. Процесс горения в такой ситуации развивается за счет запаса кислорода, имевшегося в помещении.

По мере развития процесса горения среднеобъемная температура повышается, плотность газовой среды уменьшается – эпюра давлений поворачивается. Одновременно с этим снижается концентрация кислорода
в газовой среде, которая поступает в зону горения – в результате скорость выгорания уменьшается. Соответственно уменьшается скорость расширения газовой среды, и давление внутри помещения начинает снижаться – эпюра давлений смещается влево, ПРД поднимается. Через проемы, расположенные ниже ПРД, в помещение поступает воздух, через проемы, расположенные выше ПРД, выталкивается образующаяся смесь газов, состав которой изменяется по мере развития процесса горения.

Газообменом на внутреннем пожаре является вентиляция помещения, инициируемая процессом горения и тесно с ним взаимосвязанная.

Основными параметрами газообмена являются:

– требуемый расход воздуха , кг/с, – расход воздуха, необходимый для полного сгорания материала с данной массовой скоростью;

– фактический расход воздуха , кг/с, – масса воздуха, поступающего в помещение при пожаре в единицу времени;

– коэффициент избытка воздуха α, равный отношению:

(1)

Требуемый расход воздуха находится по формуле

(2)

где – удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²·с);

S_п – площадь пожара, м²;

– теоретический объем воздуха необходимый для горения, м³/кг;

ρ_в – плотность воздуха, кг/м³.

В качестве примера рассмотрим пожар в помещении с одним открытым проемом.

В ходе развития пожара параметры процессов горения, тепло- и газообмена изменяются. Во многом это определяется положением плоскости равных давлений относительно верхней и нижней отметок проема.

В начальный момент возникновения притока воздуха в помещение плоскость равных давлений, как правило, оказывается на уровне потолка.

По мере развития процесса горения и, соответственно, увеличения объема выделяющихся газов она опускается. Это продолжается до тех пор, пока массовая скорость выгорания горючего v_м не достигнет максимального значения.

Пока ПРД располагается выше верхней отметки проема, газы из помещения не удаляются, и проем работает только на приток воздуха. Если ПРД находится между верхней и нижней отметками проема, выше ПРД из помещения выходят нагретые газы, ниже – в помещение поступает воздух. В тех случаях, когда ПРД опускается ниже нижней отметки проема, приток воздуха в помещение прекращается, интенсивность горения уменьшается, массовая скорость выгорания падает. Вследствие этого уменьшается объем выделяющихся газов и, соответственно, давление в помещении. Плоскость равных давлений поднимается, и в помещение поступает воздух.

Для оценки фактического расхода воздуха рассмотрим ситуацию в момент времени, когда ПРД располагается между верхней и нижней отметками проема на высоте h₀ относительно пола. ПРД будем считать базовой плоскостью, на которой давление газов р_г и воздуха р_в равны р₀. Давление на этом уровне примем в качестве точки отсчета –p₀ (см. рисунок 13).

Δp> 0

Δp< 0

h

h

h

pг = p0 − ρгgh

pв = p0 + ρвgh

Рисунок 13 - Схема распределения давлений и газовых потоков при пожаре в помещении:стрелками показано направление движения газовых потоков; сплошная линия – эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная линия – эпюра давлений газовой среды внутри помещения

Тогда на расстоянии hот ПРД давление газов будет равно p_г =p₀ – ρ_гgh,воздуха – p_в = p₀ + ρ_вgh(ρ_гиρ_в – плотности газов и воздуха, соответственно).

Разность давлений газа (внутри помещения) и воздуха (снаружи) на расстоянии h будет равна:

выше ПРД Δp = (ρ_в–ρ_г)gh> 0;

ниже ПРД Δp = (ρ_г–ρ_в)gh< 0.

Поскольку нас интересует не направление действия Δp, а его абсолютная величина, можем записать: |Δр| = (ρ_в– ρ_г)gh. Величина Δp является избыточным статическим давлением, которое создает динамическое давление, равноеρω²/2 (ω – линейная скорость потока воздуха или газа).
Массовые расходы воздуха G_в,

(3)

При достижении стационарного режима газообмена, когда h₀ перестает изменяться и некоторое время находится на одном уровне, G_г ≈ G_в.На других стадиях пожара они различаются не более чем на 10–15 % [15].
Это позволяет в каждый момент времени считать процесс газообмена квазистационарным приG_г ≈ G_в. Тогда, приравняв правые части выражений (7) и (8), получим выражение для оценки положения ПРД относительно нижней отметки проема:

(4)

Подставиввыражение (9) в выражение (8) и учитывая, что произведение ВН равноплощади проемаS_пр, получим:

(5)

Проведем анализ этой формулы. Коэффициент сопротивления проема изменяется в пределах 0,6–0,7. Можно считать, что μ = 0,65. Используя уравнение Клапейрона, плотность газовой среды можно представить как

(6)

где Т₀ – температура воздуха, К;

Т_п – температура пожара, К.

Плотность воздуха обычно принимается равной 1,2 кг/м³, а T₀ = 293 К (то есть 20 °С). Тогда ρ_г ≈ 352 / T_п. Допустим, что в ходе развития пожара температура возросла от 100 до 1000 °С. Соответственно ρ_г понизилась с 0,944 до 0,277 кг/м³. Если проемность помещения не изменилась, то G_в уменьшился от . То есть при 10-кратном повышении температуры пожара массовый расход воздуха изменяется менее чем на 40 %. Поэтому фактический массовый расход воздуха, поступающего в помещение, приближенно можно оценить как

G_в≈ . (7)

Произведение называется параметром проемности помещения. Чем выше интенсивность газообмена, тем больше холодного воздуха поступает в помещение, тем больше из него удаляется нагретых газов.Поэтому в помещениях с большой площадью вскрывшихся проемов максимальная температура пожара должна быть ниже. Соответственно, искусственное увеличение интенсивности газообмена путем применения вентиляторов, дымососов, вскрытия конструкций и т. д. в ходе тушения пожара должно приводить к понижению температуры газовой среды в очаге.
Однако так бывает не всегда.

Режимы внутренних пожаров

ПосколькуG_г ≈ G_в, увеличение интенсивности газообмена должно приводить к снижению температуры пожара. Однако величина G_в взаимосвязана с массовой скоростью выгорания v_м.Экспериментально установлено, что при стационарном газообмене v_м зависит от проемности.

Если при данной проемности помещения скорость притока воздуха к поверхности горения не обеспечивает максимальную скорость выгорания, увеличение G_в (а значит, и G_г) приводит к росту v_м и q_п. При этом q_ср становится больше нуля – Т_п повышается. Такие пожары называются регулируемыми вентиляцией (ПРВ). В тех случаях, когда массовая скорость выгорания и, следовательно, теплота пожара максимальны для данного горючего, при увеличении притока воздуха они не изменяются, т. е. q_п остается неизменной. Однако увеличение G_г, равно как и притока в помещение холодного воздуха, приводит к тому, что q_ср становится меньше нуля и Т_п снижается (рис. 18). Такие пожары называются регулируемыми нагрузкой (ПРН).

Таким образом, ПРН – режим пожара, при котором массовая скорость выгорания определяется характеристиками пожарной нагрузки и не зависит от изменения притока воздуха в помещение, ПРВ – режим пожара, при котором расход воздуха, поступающего в помещение, лимитирует массовую скорость выгорания. В помещениях с различной проемностью может устанавливаться одинаковая среднеобъемная температура. Однако обстановка на пожаре может существенно различаться. Как правило, пожары, регулируемые вентиляцией, более опасны, чем пожары, регулируемые нагрузкой. Они протекают при недостатке воздуха. Поэтому горючие газы, выделяющиеся в результате пиролиза или испарения горючего материала,внутри помещения полностью не сгорают. Это приводит к увеличению объема пламени, выбрасываемого наружу через проем, что увеличивает опасность распространения пожара на верхние этажи здания. Следует отметить, что большую роль в этом играет форма проема – соотношение его ширины В и высоты Н.

Недостаток воздуха при ПРВ приводит к тому, что дым, проникающий в смежные помещения, также содержит продукты неполного сгорания и несгоревшие газы. Концентрация этих веществ за время свободного развития пожара может превысить верхний концентрационный предел распространения пламени. При вскрытии проема в такое помещение (например, для подачи ствола) происходит образование и воспламенение горючей смеси, сопровождающееся выбросом пламени.

Искусственное увеличение притока воздуха при ПРВ в первый момент вызывает некоторое понижение среднеобъемной температуры газов. Однако в дальнейшем новый приток воздуха к поверхности горения приводит к росту массовой скорости выгорания и повышению температуры пожара. Как показали исследования ВНИИПО, в результате увеличения площади проема при ПРВ температура пожара может возрасти в 2 раза. То же самое при ПРН может вызвать снижение Т_п на 45 %.

Таким образом, в зависимости от режима пожара вмешательство в газообмен при его тушении может привести к прямо противоположным результатам, что является следствием взаимосвязи и взаимозависимости процессов горения, тепло- и газообмена.

Тепловая теория прекращения горения

Процесс тушения пожара – это комплекс управленческих решений, направленных на обеспечение безопасности людей, животных, спасение материальных ценностей и ликвидацию горения.

Исходя из этого, работа на пожаре всегда ведется сразу по нескольким направлениям: спасание людей, сохранение материальных ценностей, развертывание сил и средств, вскрытие и разборка конструкций и собственно прекращение горения. В рамках дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» рассматривается только одна составляющая тушения пожара – прекращение горения, общие принципы, пути и способы достижения этой цели. Важность понимания этих вопросов обусловлена тем, что на пожаре основным процессом является процесс горения. Нет процесса горения – нет и пожара. Поэтому прекращение горения во всех его видах означает ликвидацию пожара.

При рассмотрении вопросов, связанных с возникновением и прекращением горения, используют понятие классического «треугольника горения». Процесс горения возникает и развивается, когда во времени и пространстве сходятся: горючее вещество (ГВ), источник зажигания (ИЗ) и окислитель (ОК) (см. рисунок 14). Если разорвать любую связь или исключить один из элементов данной схемы, горение станет невозможным.

Рисунок 14 - Схема «треугольника горения»

Пламенное горение на пожаре является диффузионным и гомогенным. При этом газообразное горючее непрерывно поступает в зону горения, смешивается с газообразным окислителем и воспламеняется от источника зажигания. На пожаре таким непрерывно действующим источником зажигания является само пламя. Следовательно, ликвидация факела пламени означает исключение из «треугольника горения» одного угла – источника зажигания и является условием, необходимым для прекращения горения. Однако выполнения только этого условия не всегда достаточно для тушения пожара. Так, при горении многих твердых, склонных к тлению материалов (древесно-стружечные плиты, древесина, ткани, органические волокна и т. д.) температура поверхности составляет 600–700 °С, что вполне достаточно для зажигания выделяющихся газообразных продуктов пиролиза и при отсутствии пламени. В таких случаях достаточным условием для тушения пожара является прекращение поступления горючих газов в зону горения, т. е. ликвидация еще одного угла треугольника пожара – горючего вещества.

Наиболее распространенной и научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пламени, разработанная советским ученым Я. Б. Зельдовичем. Суть ее в том, что в результате нарушения теплового равновесия в зоне химических реакций горения при определенных условиях самопроизвольное и непрерывное протекание этих реакций становится невозможным – процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда температура в зоне горения снижается до некоторого критического значения, которое мы будем в дальнейшем называть температурой потухания:

Т_пот = Т_ад – ΔТ, (8)

где Т_ад – адиабатическая температура горения;

ΔТ – изменение температуры.

Подобное явление наблюдается в первую очередь для смесей заранее перемешанных газов (кинетических смесей), для которых существуют пределы распространения пламени, обусловленные тепловыми потерями от зоны горения в стенки сосуда и на излучение. Из-за тепловых потерь снижается температура пламени и уменьшается скорость его распространения. Снижение скорости приводит к тому, что тепловые потери увеличиваются еще больше, температура пламени прогрессирующе падает и т. д. Критическое условие возможности горения характеризуется предельной величиной, на которую может понизиться температура пламени. Если тепловые потери приводят к снижению температуры пламени на величину, большую чем , то происходит его потухание (здесь R – универсальная газовая постоянная, Е – энергия активации реакции). Эта величина получила наименование «характеристический интервал».

Однако на пожарах горение является не кинетическим, а диффузионным. В диффузионном пламени уменьшение температуры не приводит к значительному изменению количества газа, сгорающего на единице его поверхности, поскольку скорость горения определяется скоростью диффузии. Поэтому срыв горения из-за теплопотерь осуществляется в диффузионном пламени при меньшей интенсивности горения по сравнению с пламенем в смеси заранее перемешанных газов, да и природа критического условия иная.

Проинтегрировав уравнения диффузии и теплопроводности, используя уравнение скорости химической реакции и теорию размерности, Я. Б. Зельдович получил максимально возможную величину снижения температуры диффузионного пламени, при которой наступает потухание:

(9)

где R – универсальная газовая постоянная, 8,32 кДж/моль;

Т_ад– адиабатическая температура пламени, ≈ 2 300 К;

Е – энергия активации, ≈ 126 000 кДж/моль.

Выразив отсюда собственно температуру потухания и подставив численные значения входящих величин, можно оценить значение этой критической температуры пламени:

(10)

То есть адиабатическая температура потухания пламени составляет около 1000 °С.

На практике же в зоне горения реализуется не адиабатическая, а действительная температура горения. Она существенно ниже адиабатической вследствие потерь тепла, связанных сразу с несколькими физико-химическими процессами.

Во-первых, у диффузионных пламен выше светимость из-за наличия в них твердых частиц углерода (сажи), которые не успевают сгорать до СО и СО₂ из-за недостатка кислорода. Во-вторых, диффузионные пламена имеют более протяженную зону реакции и, соответственно, большую поверхность излучения и меньшую интенсивность тепловыделения в расчете на единицу объема. В-третьих, при диффузионном горении на величину тепловых потерь от факела пламени существенно влияет конвективный теплообмен с окружающим пространством. В сумме эти потери для диффузионных пламен составляют до 40 % от всего тепла, выделяющегося в зоне горения.

При реализации процесса тушения в зоне реакции резко снижаются потери на излучение (ниже 1 000 °С частицы углерода уже практически не светятся, а значит, и не излучают), уменьшается и конвективный теплообмен с окружающим пространством. Это позволяет нам считать, что на температурах, близких к температурам потухания, процесс горения действительно крайне близок по своим характеристикам к адиабатически-изобарическому и полученное расчетным методом значение температуры потухания реализуется на практике.

Таким образом, тепловая теория потухания дает удобный инструмент для физического обоснования способов и средств прекращения горения на пожаре.

Способы достижения температуры потухания

Согласно тепловой теории потухания задача прекращения пламенного горения сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания. Это достигается путем нарушения теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения, т. е. нарушения баланса процессов тепловыделения и теплоотвода.

Аналитически зависимость интенсивности тепловыделения в единице объема q⁺ от вида горючего, состава горючей смеси и температуры описывается уравнением вида:

(11)

где Q_н– низшая теплота сгорания горючего;

k₀ – предэкспоненциальный множитель;

φ_г и φ_ок– концентрация горючего и окислителя, соответственно;

n и m– порядок реакции по горючему и окислителю, соответственно;

Е – энергия активации;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура.

Интенсивность процесса теплоотвода от фронта пламени q⁻ излучением и конвекцией в расчете на единицу объема описывается уравнением:

(12)

где ε – степень черноты пламени;

σ – константа Стефана – Больцмана;

S – площадь поверхности теплообмена;

V – объем зоны горения;

α – коэффициент теплопередачи;

T_пл – температура пламени;

T₀ – начальная температура.

Используя понятие приведенного коэффициента теплопередачи, уравнение (6.4) можно переписать в виде:

(13)

где α_пр–приведенный коэффициент теплопередачи.

Графики зависимостей q⁺ и q⁻ от температуры показаны на рисунок 15.

Проекция точки пересечения графиков (т. 1) на ось абсцисс соответствует температуре диффузионного пламени Т_г. В этой точке q⁺ = q⁻ – процесс горения является устойчивым.

Рассмотрим причину устойчивости. Допустим, что в силу каких-либо причин температура понизилась до Т₁, а законы тепловыделения и теплоотвода не изменились (то есть взаимное расположение графиков q⁺ и q⁻ осталось прежним). Из рис. 11 видно, что в этом случае интенсивность тепловыделения станет больше интенсивности теплоотвода. Следовательно, система будет нагреваться более интенсивно, чем охлаждаться, и температура ее вернется к значению Т_г. Если, например, по инерции температура повысится до Т₂, интенсивность охлаждения q⁻ станет больше интенсивности тепловыделения q⁺. Соответственно температура начнет понижаться, и система вновь самопроизвольно вернется в т. 1.

Из всего сказанного следует, что для прекращения процесса горения недостаточно изменить только температуру, необходимо изменить параметры процессов тепловыделения и (или) теплоотвода.

Например, изменим интенсивность теплоотвода из зоны горения путем увеличения коэффициента теплопередачи α или отношения S / V. Графически это выразится в увеличении угла наклона прямой. Если степень изменения такова, что в итоге система перейдет в состояние, показанное на рис. 15, любое незначительное изменение температуры приведет к тому, что интенсивность теплоотвода станет больше интенсивности тепловыделения, т. е. процесс горения станет невозможным. Температура, соответствующая т. 2, и является температурой потухания.

Следует отметить, что невозможно изменить интенсивность только одного из двух рассмотренных процессов, не затрагивая другой. При любом внешнем воздействии, например при тушении пламени огнетушащими веществами, интенсивности обоих процессов меняются одновременно (см. рисунок 16). Однако степень изменения зависит от преобладающего механизма действия конкретного огнетушащего вещества. Это позволяет при иллюстрации тепловой теории считать данные процессы независимыми друг от друга.

Таким образом, все эти рассуждения дают чисто качественное представление о механизме тушения пламени, вполне достаточное для анализа различных способов прекращения горения на пожаре и механизмов действия различных огнетушащих веществ.

Для тушения твердых горючих материалов (ТГМ) необходимым условием также является ликвидация факела пламени. Однако при горении ТГМ, как правило, образуется прогретый слой значительной толщины. В этом слое накапливается тепло, запас которого может быть достаточен для продолжения выделения газов со скоростью, необходимой для образования над поверхностью горючей смеси после ликвидации пламени. В отличие от жидкостей температура поверхности ТГМ обычно достигает 600–700 °С, что является достаточным для зажигания газового потока. Поэтому для прекращения горения ТГМ достаточным условием в общем случае является охлаждение прогретого слоя до температуры ниже температуры пиролиза. Следовательно, для тушения пожаров твердых горючих материалов обязательным является применение огнетушащих веществ поверхностного действия. При этом подача огнетушащих веществ должна быть так организована, чтобы площадь воздействия на поверхность горения была максимальной.

Параметры процесса тушения

К основным параметрам процесса тушения относятся:

1) интенсивность подачи огнетушащего вещества J;

2) удельный расход огнетушащего вещества q_уд;

3) время тушения t_т;

4) секундный расход огнетушащего вещества g_о.в;

5) показатель эффективности тушения П_э.т.

Рассмотрим подробно каждый из представленных параметров.

Интенсивность подачи – это количество огнетушащего вещества, подаваемого в единицу времени на единицу площади пожара или объема помещения. В зависимости от вида огнетушащего вещества и способа тушения интенсивность подачи может иметь размерности: л/(м²×с), кг/(м²×с), л/(м³×с), кг/(м³×с).

Интенсивность подачи определяет интенсивность отвода тепла от зоны горения. Чем больше интенсивность отвода тепла превалирует над интенсивностью тепловыделения в зоне горения, тем быстрее прекращается процесс горения и тем меньше время тушения. Если интенсивности отвода и выделения тепла равны, время тушения равно бесконечности. На практике это означает, что процесс тушения будет продолжаться до тех пор, пока не выгорит все горючее или не кончится запас огнетушащего вещества. Такая интенсивность подачи называется критическойJ_кр.

Фактическая интенсивность находится как отношение суммарного секундного расхода всех стволов или приборов подачи к площади пожара:

(14)

где g – секундный расход ствола или прибора подачи огнетушащего вещества.

Удельный расход – это количество огнетушащего вещества, поданное за время тушения в расчете на единицу площади пожара или объема помещения. Соответственно, этот параметр может иметь размерности: л/м², кг/м², л/м³, кг/м³.

Удельный расход зависит от интенсивности и времени подачи огнетушащего вещества:

q_уд= Jt_т. (15)

Время тушения – это период от начала подачи огнетушащего вещества до прекращения горения во всех его видах. Измеряют его в с, мин, ч. Время тушения следует отличать от времени ликвидации пожара, принятого в пожарной тактике, так как после тушения пожарные подразделения могут продолжать заниматься действиями, связанными с прекращением горения (вскрытие и разборка конструкций, проливка скрытых очагов). Но так как физически процесс горения на этот момент времени еще продолжается, значит, продолжается и тушение – в форме подачи огнетушащих веществ.

Секундный расход – это количество огнетушащего вещества, подаваемое приборами подачи за одну секунду. В пожарной тактике расход – основной параметр подачи огнетушащих веществ. Измеряют его в л/с, кг/с, м³/с.

Требуемый для тушения пожара секундный расход может быть определен, если известны требуемая интенсивность тушения для данного типа объекта J_тр и площадь тушения S_т (часть площади пожара, на которую пожарные подразделения могут обеспечить подачу огнетушащих веществ):

g_о.в= J_трS_т. (16)

Это связано с тем, что пожарные подразделения далеко не всегда могут обеспечить подачу огнетушащего вещества сразу на всю площадь пожара – их возможности ограничиваются конструктивно-планировочными решениями объекта, дальностью подачи огнетушащего вещества из стволов и т. п.

Секундный расход, разделенный на имеющуюся площадь пожара (тушения), дает фактическую интенсивность подачи J:

J= g_о.в/ S_т. (17)

Если Jоказалась меньше J_кр, прекращение горения не происходит, площадь пожара растет, а фактическая интенсивность падает. Секундный расход необходимо увеличивать введением дополнительных сил и средств. При увеличении фактической интенсивности подачи до J_кр наступает локализация пожара – прекращается рост площади пожара. Для прекращения горения на данной площади необходимо еще больше увеличивать секундный расход. Время тушения на данной площади будет зависеть от фактической интенсивности подачи в соответствии с «кривой тушения» (см. рисунок 14).

Минимум зависимости q_уд = f(J) обусловлен характером «кривой тушения». Из рис. 14, а следует, что на левом участке кривой, до резкого перегиба, незначительное увеличение интенсивности подачи относительно J_крприводит к резкому уменьшению времени тушения. Удельный расход также снижается. После перегиба время тушения с ростом интенсивности подачи изменяется мало. При этом, чем больше интенсивность подачи, тем меньше зависит от нее время тушения. Соответственно, увеличение интенсивности подачи на этом участке кривой приводит к росту удельного расхода (рисунок 14, б). Поскольку удельный расход характеризует затраты огнетушащего вещества, интенсивность подачи, при которой он минимален, считается оптимальной J_opt для прекращения горения.

Показатель эффективности тушения – это величина, характеризующая качество работы комплекса «огнетушащее вещество – способ подачи».

Под эффективностью в самом общем смысле понимают отношение результатов к затратам. В процессе тушения пожара результатом будет являться потушенная площадь, а затратами будут являться количество израсходованного огнетушащего вещества и время подачи (время работы техники, людей).

Тогда П_э.т будет равен:

(18)

где S_п – площадь пожара;

G_о.в – суммарное количество огнетушащего вещества, израсходованного за время τ_т.

Количество поданного огнетушащего вещества можно определить через интенсивность подачи и время по формуле

G_о.в = JS_пτ_т. (19)

Если подставить это выражение в формулу (29), получим более удобное для анализа и расчетов выражение:

(20)

Таким образом, показатель эффективности тушения имеет размерности: м²/(л×с), м²/(кг×с), т. е. – это скорость тушения одного квадратного метра площади пожара единицей количества подаваемого огнетушащего вещества.

Основные физико-химические свойства воды как огнетушащего вещества

Вода – это древнейшее и до сих пор самое распространенное вещество, используемое для тушения пожаров. С помощью воды можно выполнить условия, необходимые и достаточные для прекращения горения веществ, находящихся в трех физических состояниях: газообразном, жидком и твердом. На основе воды получают целый класс огнетушащих веществ – противопожарные пены.

Значения основных теплофизических параметров воды приведены ниже:

температура кипения Т_кип = 100 °С;

температура замерзания Т_зам = 0 °С;

плотность ρ = 1000 кг/м³;

удельная теплоемкость воды с = 4,19 кДж/(кг·К) в интервале 0–100 °С;

коэффициент теплопроводности при 20 °С λ = 0,6 Вт/(м·К);

теплота парообразования при 100 °Сr_в = 2260 кДж/кг;

средняя удельная теплоемкость водяного пара = 2,14 кДж/(кг×К)
в интервале 100–1200 °С;

удельная теплоемкость льда с_л = 2,1 кДж/(кг9К);

теплота плавления льда – 334 кДж/кг;

поверхностное натяжение воды при 20 °С σ = 73,0 мН/м;

удельная электропроводность воды при 20 °С Ω = 4,7·10⁶ Ом⁻¹·м⁻¹.

Следует иметь в виду, что все перечисленные параметры не являются физическими константами. В частности, все они в той или иной степени зависят от температуры. Так, при повышении температуры от 0 до 100 °С коэффициент поверхностного натяжения воды уменьшается примерно на 23 %, удельная теплопроводность возрастает на 18 %. При повышении температуры от 0 до 50 °С удельная электропроводность воды возрастает почти в 2 раза. Однако при проведении инженерных расчетов, в большинстве случаев, их зависимостью от различных факторов пренебрегают.

Физическое взаимодействие воды с твердыми материалами и нерастворимыми в ней жидкостями проявляется в ее способности смачивать и растекаться по поверхности. Характер смачивания зависит от соотношения сил притяжения молекул жидкости к поверхности и сил взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. Под действием сил взаимного притяжения молекулы жидкости стремятся опуститься в нижележащие слои. Для их перевода на поверхность требуется затратить работу, которая (в расчете на единицу площади) называется поверхностным натяжением. Чем выше поверхностное натяжение жидкости, тем хуже ее смачивающая способность, но выше текучесть. Последнее объясняется стремлением капли принять сферическую форму. В результате этого площадь контакта S_конт с твердой поверхностью капли жидкости, имеющей высокое поверхностное натяжение, очень мала, и капля легко с нее скатывается.

Ниже приведены значения коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей (в мН/м), граничащая среда – воздух:

вода ацетон н-гексан керосин нефть оливковое масло сероуглерод

72,8 23,7 18,4 24,0 30,0 34,0 30,5

Как видно из этих данных, вода обладает высоким поверхностным натяжением, что определяет ее плохую смачивающую способность для многих твердых материалов. Чистая вода (без специальных добавок) на поверхности нерастворимых в ней горючих жидкостей также не способна растекаться и образовывать пленку. Ее капли стягиваются в сферы и за счет более высокой плотности тонут.

При попадании на пористую поверхность, например древесины или ее обугленного слоя, вода одновременно впитывается в поры материала и растекается. Чем больше скорость и глубина смачивания, тем более эффективно тушение водой. Так же, как и на гладкой поверхности, условием капиллярного смачивания является θ < 90°.

При отсутствии смачивания (θ > 90°) прониканию воды в капилляр препятствует давление сжимаемого в нем газа р₁, которое превышает атмосферное p_атм (рисунок 17). В результате этого вода в материал не впитывается и стекает с его поверхности, практически не участвуя в тушении.

Рисунок 17 - Схема взаимодействия капли воды с пористой поверхностью

Если θ < 90°, силы притяжения капли к поверхности материала больше, чем силы собственного межмолекулярного взаимодействия, капиллярное давление р₂ меньше атмосферного и капля втягивается внутрь капилляра. Чем больше перепад давлений, тем быстрее и глубже жидкость проникает в толщу материала. При этом капиллярное давление

р₂ = 2σ / R, (21)

где σ – поверхностное натяжение жидкости;

R – радиус кривизны мениска.

Следовательно, уменьшение поверхностного натяжения воды увеличивает глубину пропитки и, соответственно, площадь ее контакта с поверхностью. Это повышает тушащую эффективность воды.

Механизм огнетушащего действия воды

Согласно тепловой теории, пламенное горение прекращается, когда температура пламени снижается до температуры потухания. Вода является веществом преимущественно охлаждающего действия.

При этом вода в зависимости от размера капель может:

– полностью испаряться в пламени, охлаждая только объем зоны горения;

– частично испаряться в пламени, охлаждая и объем зоны горения, и поверхность горючего;

– практически не взаимодействовать с пламенем, оказывая чисто поверхностное действие.

На практике применяются два основных способа подачи огнетушащих веществ: в объем зоны горения (тушение «по объему») и на поверхность горючего (тушение «по поверхности»).

При объемном тушении вода оказывает охлаждающее действие на зону горения, которое складывается из трех составляющих: теплоотвода на нагрев воды до Т_кип; затрат тепла пламени на испарение воды; отвода тепла образовавшимся паром, который нагревается до температуры потухания. Таким образом, при объемном тушении теоретический охлаждающий эффект воды Q_охл, кДж/л, находится по формуле

(22)

где Т_пот – температура потухания, °С.

К охлаждающему действию воды в этом случае добавляется разбавляющий эффект водяного пара – при полном ее испарении из 1 л образуется 1 720 л пара. В результате этого в газовой фазе уменьшается концентрация горючего и окислителя, что, в соответствии с тепловой теорией потухания, ведет к снижению температуры пламени.

При охлаждении поверхности теоретический теплоотвод определяется выражением

(23)

При Т₀ = 20 °С, Q_охл = 4,2(100 − 20) + 2260 = 2596 кДж/л. В расчетах принимается Q_охл = 2600 кДж/л.

Соотношение процессов объемного и поверхностного тушения зависит от размеров капель воды.

Рассмотрим процесс испарения капли воды в факеле пламени при следующих допущениях. Будем считать, что капля имеет сферическую форму, сначала нагревается до температуры кипения, а затем полностью испаряется. При этом размеры капли во время нагрева не изменяются. Переменной величиной на этой стадии является температура капли. Во время испарения, наоборот, – температура является постоянной, а радиус капли уменьшается до 0. Изменением теплопроводности при образовании вокруг капли пленки пара пренебрегаем.

Из литературы[] известна зависимость для оценки времени существования капли в зоне горения:

(24)

Оценим время жизни капли диаметром 100 мкм при следующих исходных данных: Т_ф = 900 °С; Т_к = 100 °С; Т₀ = 20 °С; ρ_в = 1000 кг/м³; с_в =
= 4,2·10³ Дж/(кг·град); λ^{900 ºС} = 0,10 Вт/(м²·град); r_в = 2,26 · 10⁶ Дж/кг.
Начальный радиус данной капли r₀ = 50 мкм = 5·10⁻⁵м (диаметр 100 мкм).

Подставив эти данные в формулу (35), получим:

Результаты расчета времени жизни капель разного диаметра при тех же исходных данных приведены на рисунок 18.

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

Диаметр капли, мм

0,2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Рисунок 18 - Зависимость времени существования капли воды в факеле пламени

от ее диаметра

Размер капли должен подбираться в зависимости от решаемой задачи. Так, при объемном тушении капля должна иметь запас энергии, достаточный для преодоления аэродинамического сопротивления потока газа, и полностью испариться в зоне горения. В случае тушения конденсированного горючего капля должна успеть пройти через факел пламени и испариться на поверхности твердого материала или в прогретом слое жидкости.

Согласно существующей классификации, струя воды, в которой преобладают капли диаметром до 100 мкм (0,1 мм), считается тонкораспыленной. Струя, в которой основная масса капель имеет диаметр более 100 мкм, считается распыленной.

Время, за которое капля воды пролетит расстояние от распылителя до поверхности горючего, зависит от ее начальной скорости. Допустим, расстояние до поверхности составляет 2 м; скорость истечения воды из сопла варьируется от 15 до 25 м/с. Если пренебречь уменьшением размера капли в результате испарения и сопротивлением встречного потока газа, то минимальное время пребывания в пламени составит 0,08–0,13 с.

Из рассмотренного примера следует, что капли диаметром менее 150 мкм живут менее 0,04 с и полностью испаряются в зоне горения. Более крупные капли испаряются частично и успевают достичь поверхности. Капли диаметром более 3 мм практически не испаряются в зоне горения.

Поведение капли воды на поверхности горючего зависит от природы этой поверхности и ее температуры. На поверхности жидкости капли воды не задерживаются. За счет более высокой плотности они проваливаются в слой горючего, быстро теряют свою начальную скорость и падают с постоянной скоростью, которая зависит от вязкости среды и радиуса капли.
Если температура прогретого слоя жидкости выше температуры кипения воды (порядка 110–140 °С), вокруг капли образуется пленка пара, резко уменьшающая теплоотдачу и, соответственно, скорость испарения. В этом случае значительная часть капель проваливается через прогретый слой, не успевая испариться. Такая вода является потерянной.

Характер взаимодействия воды с твердым, нерастворимым в ней, материалом зависит от температуры его поверхности и дисперсности струи.

Все это объясняется изменением характера кипения жидкости. Существует два основных режима кипения: пузырьковое, когда пар образуется в виде отдельных пузырьков вокруг центров парообразования, находящихся на поверхности, и пленочное, когда жидкость отделена от поверхности слоем пара.

Пузырьковый режим кипения наблюдается при температурах поверхности 109–170 °С. В этом интервале испарение происходит при непрерывном контакте воды с нагретой поверхностью. При 170–270 °С между поверхностью и каплей или струей воды формируется пленка пара. Данный эффект был открыт и описан в 1750 году Лейденфростом. При этом струя воды дробится на капли, которые стремятся принять форму сферы. Пленка пара вокруг капли сокращает приток к ней тепла, тем самым увеличивая время испарения. Мелкие капли периодически соприкасаются с поверхностью, крупные – скользят по паровой подушке. При температурах выше 270 С (в литературе это значение называется точкой Лейденфроста) вода полностью находится в сфероидальном состоянии, каждая капля обволакивается пленкой пара и с поверхностью не контактирует.

Рисунок. 19 - Состояние воды при различных температурах охлаждаемой поверхности:

а – дробление струи на отдельные капли;

б – периодический контакт капель с поверхностью;

в – пузырьковое кипение и непосредственный контакт капель с поверхностью

Таким образом, струя воды, подаваемая на тушение, при контакте с твердой поверхностью, имеющей температуру 600–270 °С, сначала дробится на более мелкие части и отдельные капли, которые с поверхностью не контактируют (рисунок 19, а). Процесс теплопередачи при этом идет через пленку пара.

По мере охлаждения поверхности, при температурах 270–170 °С, мелкие капли периодически касаются поверхности и отбрасываются от нее паром. Крупные капли скользят по паровой подушке. При этом на горизонтальной поверхности они растекаются и медленно испаряются, а с вертикальной – быстро соскальзывают. Чем ниже температура, тем тоньше паровая прослойка и соответственно меньше время испарения капель (см. рисунок 19, б).

При 170–109 °С прекращается образование пленки пара, вода вскипает непосредственно на поверхности – капли испаряются практически мгновенно (см. рис. 19, в). Охлаждение поверхности до температур ниже 109 °С приводит к уменьшению интенсивности теплопередачи; время испарения капель воды возрастает – вода дольше удерживается на поверхности. При температурах ниже температуры кипения вода начинает смачивать обугленную поверхность, впитываться в поры и трещины.

В настоящее время при тушении пожаров используются два способа подачи воды – в виде компактных и распыленных струй. Компактная струя из пожарного ствола представляет собой сплошной поток воды, имеющий высокую скорость. Эти струи имеют большой запас энергии и обладают определенной ударной силой, позволяющей срывать пламя. При этом большая масса воды воздействует на малую площадь. В этом достоинство и одновременно недостаток компактных струй. Большой запас энергии позволяет подавать воду на большие расстояния, а сравнительно малая площадь воздействия снижает коэффициент использования. В результате материальный и экологический ущерб от тушения может превысить ущерб от самого пожара.

Компактные струи целесообразно применять в тех случаях, когда требуется подать воду на большие расстояния или придать ей большую ударную силу. Это, например, тушение газовых фонтанов, большинство открытых пожаров твердых горючих материалов, охлаждение стен соседних с горящим объектом сооружений и т. п. Данный способ тушения является наиболее простым и потому наиболее распространенным.

Распыленная струя – это поток воды, состоящий из отдельных капель. Такие струи обладают небольшой энергией и дальностью полета. Однако единица массы распыленной воды орошает бóльшую площадь, чем такое же количество компактной. Кроме того, распыленная струя может активно воздействовать непосредственно на зону горения.

Прекращение горения твердых горючих материалов водой

Гомогенное (пламенное) горение твердых горючих материалов (ТГМ) обусловлено образованием горючих газов в результате термического разложения вещества – пиролиза.

Для гомогенного горения необходимо, чтобы скорость выделения газообразных продуктов пиролиза и приток воздуха были достаточны для образования над поверхностью материала горючей смеси, т. е. смеси, в которой концентрация горючего газа не ниже НКПРП.

Непрерывное поступление горючих паров и газов в зону горения поддерживается интенсивным тепловым потоком к поверхности ТГМ от собственного пламени и внешних источников.

Пиролиз некоторых ТГМ начинается после плавления и протекает в тонком поверхностном слое. Как правило, это линейные несшитые полимеры (полиметилметакрилат, полиэтилен, полистирол и другие термопласты). Такие материалы, подобно жидкости, выгорают без остатка. Горение ряда ТГМ сопровождается образованием углистого слоя. Это древесина, древесно-наполненные пластмассы, материалы на основе целлюлозы, сшитые полимерные материалы – реактопласты. Для них характерны два вида горения – гомогенное (пламенное) и гетерогенное (тление). Их соотношение зависит от интенсивности тепло- и газообмена у поверхности горения. В процессе горения углистый слой аккумулирует значительное количество тепла. Температура его поверхности достигает 600–700 °С, что является достаточным для зажигания горючих газовых смесей.

В результате для ТГМ снижение температуры горения до температуры потухания без охлаждения прогретого слоя является условием тушения необходимым, но недостаточным. Прогретый слой конденсированной фазы (твердого вещества или расплава) способен в течение некоторого времени поставлять нагретые продукты разложения в зону горения и являться источником их воспламенения. Поэтому при их тушении рассматривают еще одно достаточное условие – снижение температуры прогретого слоя до температуры начала пиролиза или плавления.

Наиболее эффективным способом тушения ТГМ любого типа является принудительное охлаждение непосредственно поверхности горения. Время прекращения горения определяется интенсивностью теплоотвода от поверхности и тепловой инерцией прогретого слоя.

Условие тушения ТГМ выполняется, если огнетушащее вещество подается на поверхность горения с такой интенсивностью, что за время тушения отбирает тепло, поступающее к поверхности, а также тепло, запасенное в прогретом слое за время горения:

Q_отв ≥ Q_треб = Q_пов + Q_зап, (25)

где Q_отв – тепло, отводимое огнетушащим веществом от 1 м² поверхности, кДж/м²;

Q_пов – тепло, поступающее к поверхности, кДж/м²;

Q_зап – удельное теплосодержание прогретого слоя, кДж/м²;

здесь

Q_пов = q_внτ_т, (26)

где q_вн – плотность суммарного теплового потока, падающего от собственного пламени и внешних источников излучения, кВт/м²;

τ_т – время тушения, с.

Если подаваемое огнетушащее вещество поступает к поверхности без потерь и полностью реализует свою охлаждающую способность, количество тепла, отбираемое за время τ_т от 1 м² поверхности горения Q_отв, будет равно

Q_отв = JQ_охлτ_т, (27)

где J – интенсивность подачи, л/(с·м²) или кг/(с9м²);

τ_т – время подачи огнетушащего вещества, с.

Отсюда теоретическое, минимально возможное время тушения τ_т, с, по механизму отвода тепла от поверхности:

. (28)

При J = q_вн / Q_охл, т. е. когда подача огнетушащего вещества на поверхность компенсирует только внешние тепловые потоки, τ_т → ∞. Такая интенсивность подачи является критической J_кр.

При J → ∞ время тушения τ_т → 0. Однако минимальное время прекращения горения не может быть меньше времени охлаждения всего прогретого слояτ₀. Это физическое время определяется тепловой инерцией материала. Например, при охлаждении древесины водой оно составляет примерно 20 с.

Таким образом, теоретическое время прекращения горения τ_т, с,
при тушении по поверхности определяется по формуле

(29)

Умножив обе части (29) на J, получим выражение для удельного расхода q_уд, с:

(30)

Из этого выражения следует, что зависимость q_уд от J может иметь экстремальную точку. Первое слагаемое данного выражения является гиперболой с асимптотами → ∞ при J → J_кр и → Q_зап/ Q_охл при J → ∞. Второе слагаемое представляет собой прямую = τ₀J, где τ₀ является тангенсом угла ее наклона. Таким образом, величина τ₀ определяет крутизну правой ветви графика q_уд = f(J). Чем меньше τ₀, тем более пологой является правая ветвь кривой.

При некотором значении J удельный расход огнетушащего вещества становится минимальным.

Оптимальной является интенсивность подачи, при которой обеспечиваетсяминимальный удельный расход огнетушащего, находится дифференцированием уравнения (30) по J. Приравняв первую производную dq_уд / dJ к нулю, получим выражение для оптимальной интенсивности подачи J_опт, л/(с·м²):

. (31)

Значение τ₀ определяется не только тепловой инерцией углистого слоя, но и доступностью поверхности горения для огнетушащего вещества. Если площадь орошения S_ор струей больше или равна площади горения S_п.г, значение τ₀ определяется условиями тепломассообмена капель воды с поверхностью. При S_ор<S_п.г (тушение изделий с развитой поверхностью) значение τ₀ должно быть пропорционально коэффициенту поверхности.

Коэффициент использования вод при тушении твердых горючих материалов

При тушении любого пожара не вся подаваемая вода участвует в прекращении горения. Проведем количественную оценку коэффициента ее использования на примере тушения древесины.Теоретический коэффициент использования находится как отношение теоретического минимального удельного расхода огнетушащего вещества к фактическому q_уд:

= /q_уд. (32)

Найдем минимальное теоретическое значение удельного расхода, соответствующее оптимальной интенсивности подачи. Принимаем следующие допущения: горит одиночный термически толстый образец древесины; коэффициент поверхности К_п = 1; горение протекает под действием излучения только собственного пламени; за время свободного горения образовался углистый слой предельной толщины, равный примерно 1 см; вода в распыленном виде подается равномерно на всю площадь поверхности горения; любые потери воды отсутствуют; интенсивность подачи равна оптимальной.

Для прекращения горения рассматриваемого образца интенсивность теплоотвода водой должна компенсировать тепловые потоки, поступающие к поверхности извне q_вн (в данном случае только от собственного пламени), изнутри (в данном случае тепловой эффект экзотермических реакций L_экз), а также тепловой поток, аккумулируемый в пиролизованном слое q_зап, за вычетом конвективных потерь тепла q_конв (см. рисунок 20).

Рисунок 20 - Схема распределения тепловых потоков

при горении одиночного образца древесины

Уравнение теплового баланса горения имеет вид:

q_вн= (L − L_экз) + q_зап + q_конв, (33)

где q_вн – внешний лучистый тепловой поток, падающий на поверхность, кВт/м²;

– приведенная массовая скорость выгорания, кг/(с9м²);

L – теплота, затрачиваемая на пиролиз (газификацию) материала, кДж/кг;

L_экз – экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза, кДж/кг; q_зап – тепловой поток, аккумулируемый в поверхностном слое;

q_конв – конвективный тепловой поток, исходящий от поверхности, кВт/м².

Так как в данном примере рассматривается горение одиночного образца со свободной поверхностью и К_п = 1, то =.

Аккумулируемый тепловой поток q_зап, кВт/м², определяется выражением:

(34)

где с – удельная теплоемкость пиролизованного слоя, кДж/(кг·град);

Т_пов – температура поверхности при горении;

Т_пир – температура пиролиза.

Величина q_конв, кВт/м², определяется теплосодержанием газообразных продуктов пиролиза:

(35)

где с_р – средняя удельная теплоемкость газов в интервале температур Т_пов – Т_пир.

Удельный запас тепла Q_зап, кДж/м², накопленный в углистом слое твердого материала за время свободного горения, равен:

Q_зап = q_запτ_гор, (36)

где q_зап – тепловой поток, аккумулируемый пиролизующимся слоем, кВт/м²;

τ_гор – время свободного горения, с.

Отсюда

(37)

Теплота пиролиза L зависит от вида горючего материала. Значения теплоты пиролиза для некоторых ТГМ приведены в монографии [5]. Экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза L_экзприсутствует при горении древесины и содержащих ее композиционных материалов. В расчетах L_экз приближенно можно принимать равным 6 % от низшей теплоты сгорания.

Выражение для расчета массовой скорости выгорания , кг/(с·м²), получается из уравнения теплового баланса (44) после подстановки выражений (45) и (46):

. (38)

Экспериментальное значение плотности теплового потокаq_вн, падающего от собственного пламени, для древесины равно 24 кВт/м²; L = = 2790 кДж/кг; с = 1,47 кДж/(кг·град); с_р = 3,1 кДж/(кг·град); Т_пов = 700 °С; Т_пир = 200 °С. Тепловой эффект экзотермических реакций в пиролизующемся слое древесины L_экз = 0,06Q_н. Среднее значение Q_н древесины сосны составляет около 19000 кДж/кг [12]. Отсюда L_экз = 0,06 · 19000 = 1140 кДж/кг.

Подставив данные в выражение (7.2.54), получим = 0,0061 кг/(с·м²). Тогда

q_конв = 0,0061·3,1(700 – 200) = 9,50 кВт/м²;

Q_зап = [24 – 0,0061(2790 – 1140) – 9,5]τ_гор = 4,4τ_гор кДж/м².

Найдем значение τ_гор, за которое толщина углистого слоя δ становится равной 1 см. Линейная скорость продвижения его нижней границы u_л = = 2,2·10⁻²q_вн (в мм/мин). Отсюда τ_гор = 19,0 мин. Таким образом, удельный запас тепла в охлаждаемом слое рассматриваемого образца Q_зап = 4,4 · 19 · 60 =
= 5016 кДж/м².

Удельный расход огнетушащего вещества равен произведению интенсивности подачи на время тушения. Отсюда .

Оптимальная интенсивность подачи воды (42):

л/(с·м²).

Время тушения при J = J_опт :

Минимальный удельный расход:

= 0,04 · 83 = 3,3 л/м².

Отметим, что это теоретический расход воды в расчете на 1 м² площади поверхности горения. Сравним данное значение с фактическими расходами воды при тушении реальных пожаров.

В качестве примера рассмотрим пожар в квартире, в здании не ниже III степени огнестойкости. Основную горючую нагрузку в жилых помещениях составляют изделия из древесины или ДСП. Анализ показал, что примерно в 75–80 % случаев площадь пожара в таких зданиях не превышает 5 м². На их тушение, как правило, подается один ствол с расчетным расходом воды g = 3,5 л/с. Время работы ствола обычно не превышает 1 мин.

Фактический удельный расход при данных условиях равен

Исследования параметров горючей нагрузки жилых помещений, проведенные кафедрой «Процессы горения» Академии ГПС МЧС России, показали, что коэффициент поверхности в жилых помещениях К_п = 3÷5. Следовательно, удельный расход в расчете на 1 м² поверхности горения равен

Таким образом, условно теоретический (так как в жилище имеется много горючих материалов по свойствам отличных от древесины) коэффициент использования воды равен:

Это означает, что в данном случае от 60 до 80 % поданной воды стекает с горящей поверхности, не успевая испариться. В значительной мере это объясняется особенностями контактирования воды с горящей поверхностью. Кроме того, на реальных пожарах условия горения существенно отличаются от принятых в рассмотренной модели. В частности, на открытых пожарах происходит взаимное переоблучение поверхностей горящих предметов (рисунок 21).

Рисунок 21 - Тепловое излучение на открытом пожаре:

черные стрелки – излучение собственного пламени;

светлые стрелки – излучение пламени соседнего предмета

Внутри помещений к этому добавляется излучение от припотолочного дымового слоя (рис. 32). Измеренный тепловой поток в жилом помещении достигает 50 кВт/м². Примерно такие же значения получены при оценке тепловых потоков внутри скрытых поверхностей предметов, выгорающих в гетерогенном режиме.

Рисунок 22 - Схема теплового облучения предметов при пожаре в помещении:

черные стрелки – излучение собственного пламени;

светлые стрелки – внешнее излучение

Эти факторы увеличивают q_вн и, соответственно, Q_зап. В результате при одной и той же интенсивности подачи возрастают время тушения и фактический удельный расход.

Кроме того, не всегда удается подавать воду на скрытые участки поверхности. Чем больше коэффициент поверхности горючей нагрузки, тем больше скрытых участков, тем меньше реально орошаемая площадь по отношению к площади горения.

Определить теоретический коэффициент использования воды на большинстве потушенных реальных пожаров либо невозможно, либо крайне сложно. Это объясняется, прежде всего, неоднородностью горючей нагрузки. Кроме того, часто не известен ее состав.

Обработка данных по результатам тушения водой более 2000 пожаров площадью до 600 м², проведенная в нашей стране и за рубежом, показала, что фактический удельный расход существенно зависит от площади пожара. При этом зафиксированные значения удельного расхода при каждой площади пожара оказываются не ниже некоторого минимального значения (рисунок 23).

Зависимость минимальных значений q_уд от площади пожара S_п описывается выражением = 1,1 lgS_п + 0,302. С достаточной для практики точностью можно считать, что минимальный удельный расход воды численно равен половине площади пожара: = 0,5S_п, л/м². Таким образом, практический коэффициент использования воды определяется по формуле

К_и = 0,5S_п / q_уд. (39)

Рисунок 23 - Иллюстрация зависимости

минимального фактического удельного расхода воды от площади пожара

Повышение коэффициента использования воды

при тушении пожаров твердых горючих материалов

Известные в настоящее время способы повышения коэффициента использования воды при тушении ТГМ по основному механизму действия можно условно разделить на следующие группы:

– уменьшение внешнего теплового потока;

– увеличение площади орошения;

– повышение скорости пропитки углистого слоя;

– увеличение времени контакта воды с поверхностью ТГМ.

Способы, составляющие первую группу, фактически являются комбинированными, так как основаны на применении огнетушащих веществ с разными доминирующими механизмами действия.

В первую группу попадают способы объемного тушения. При тушении тлеющих ТГМ их применение часто оказывает лишь вспомогательное действие. Окончательное тушение в этих случаях достигается подачей воды или порошка класса АВС непосредственно на поверхность горения. Однако даже кратковременное уменьшение или ликвидация q_вн снижает массовую скорость выгорания, скорость аккумулирования тепла в прогретом слое. Все это в комплексе приводит к уменьшению времени прекращения горения. Соответственно уменьшается фактический удельный расход воды. Наиболее эффективно эти способы реализуются в помещениях подачей порошков класса ВСЕ; огнетушащих аэрозолей; импульсной и непрерывной подачей тонкораспыленной воды и воды аэрозольного распыления (средний диаметр капель порядка 50 мкм).

Сюда же следует отнести подачу пены средней кратности на поверхности горящих предметов и материалов. Слой пены экранирует внешние тепловые потоки довольно продолжительное время. В этих случаях вода тратится в основном на проливку скрытых участков в ходе разборки.

Вторую группу составляют различные способы подачи распыленной воды. Основную сложность при этом составляет доставка воды непосредственно к поверхности горения.

Повышение скорости пропитки углистого слоя (третья группа) достигается применением добавок поверхностно-активных веществ. Это приводит к уменьшению поверхностного натяжения воды и увеличению глубины и скорости пропитки. Разработаны и выпускаются специальные составы – смачиватели. Как правило, их основу составляют синтетические анионоактивные ПАВы. От пенообразователей они отличаются пониженной пенообразующей способностью.

В практике пожаротушения для этих целей используют чаще всего обычные пенообразователи как более универсальные. При этом создают рабочую концентрацию раствора, обычно равную половине необходимой для получения пены. Соответственно раствор подается водяными стволами.

Увеличение времени контакта воды с поверхностью ТГМ (четвертая группа) достигается применением добавок-загустителей – веществ, повышающих вязкость. С этой целью используют водорастворимые полимеры: карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), полиэтиленоксид и др. В практике пожаротушения такие растворы применяются крайне редко, так как они предъявляют повышенные требования к обслуживанию оборудования.

3 Формулировка требований к профессиональным навыкам ствольщика

Каким должен быть тренажер для обучения ствольщика? Ответить можно, перечислив умения, необходимые хорошему ствольщику:

1. «Не бояться температуры»: Знать и уметь правильно применять пожарную экипировку, резко повышающую устойчивость пожарного к высокой температуре газовой среды, тепловому излучению без перегрева организма и ожогов, доподлинно знать свой предел, ощущения, которые возникают на различных стадиях приближения к тепловому пределу. Уметь действовать в реальной обстановке так, что бы максимально отдалять наступление теплового предела: укрываться от жара за укрытиями, за распыленной струёй воды, обеспечивать минимальную физическую активность, достаточную для выполнения запланированных действий (для снижения тепловыделения организма), занимать наиболее возможный низкий уровень (по высоте помещения) и выбирать участок помещения с наименьшим потоком лучистого тепла и удаленный от потоков раскаленных газов. Уметь «Не боятся температуры» ствольщику требуется для того, что бы иметь возможность выйти на позицию, которая даст возможность быстро погасить горение и пресечь выделение горючих газов в очаге. Обучение данному умению обеспечивается при решении задачи контролируемого и воспроизводимого создания тепловых условий пожара: высокой температуры и теплоты газовой среды, контролируемого интенсивного пламени, тепловых и газовых потоков пожаров.

2. «Чувствовать огонь» - знать основы горения, уметь читать дым и огневую обстановку, представлять себе огнегасящие и тепловые свойства распыленных и сплошных водяных струй, режимы их подачи в горящем помещении и методы подавления горения различными приемами подачи воды в область горения. Знать, какие при этом возникают опасные явления. Знать планировки зданий, помещений. «Чувствовать огонь» ствольщику требуется для того, что бы выбрать наилучшую позицию и подобрать рациональные приемы подачи воды в область горения. Обучение данному умению обеспечивается при решении на тренажере предыдущей задачи, при чем добавляется задача обеспечения устойчивости пламени к тушению. Также требуется организованное водоотведение с поверхностей тренажера, возможность менять места и интенсивность очагов горения, возможность устанавливать различные препятствия, в том числе и горящие, имитирующие мебель, предметы и завалы в горящем помещении (которые в реальности влияют на процесс тушения, так как могут использоваться ствольщиком как укрытия от теплового излучения, являются преградами при продвижении к очагу и прокладке рукава и прочее).

3. «Мастерски работать с современным пожарным стволом». Это значит иметь навыки быстрого, гибкого и точного изменения одновременно формы водяной струи и её расхода, знать и чувствовать, какая струя и с каким режимом подачи наиболее эффективна в зависимости от огневой обстановки, формы пламени, теплового потока, конфигурации помещения. Уметь укрываться от теплового излучения и контакта с пламенем за водяной струёй. То есть уметь эффективно работать на позиции.

Также для обучения правильной работе с современными пожарными стволами, при тренажере необходимо иметь набор наиболее распространенных современных пожарных стволов, таких как отечественные стволы РСК-50, ОРТ-50, ЭФЭР «Прорыв» и зарубежные стволы TFT “Automatic”, TFT “Midforce”,

4 Требования к огневому тренажеру ствольщика

Для успешного решения задач тренажера, он должен удовлетворять следующим требованиям:

Обеспечение устойчивости горения при тушении

Значительная интенсивность данного очага должна обеспечивать достаточную устойчивость горения в условиях тушения. Если очаг будет недостаточно мощным и устойчивым к тушению, то его будет слишком легко потушить и потребности в хорошем умении не возникнет и оно не будет вырабатываться.

Для обеспечения устойчивости горения предусмотрены следующие меры:

Обеспечение оптимального размера тренажера.

Данный тренажер должен быть достаточно большим, что бы обеспечить достаточное пространство для огня, устойчивого к тушению. Малое пространство стандартных огневых симуляторов по своему объёму сопоставимо с размером струи, поэтому его легко быстро охладить распыленной струей и область горения, временно не заполненная потоком капелек, не успевает разгореться, пока струя перенесена в другую часть горящего объема.

Размер тренажера должен быть таким, что бы с целью увеличения устойчивости горения за счет нагрева охлажденной части топлива в очаге теплопередачей и тепловым излучением от пламени, объем пламени в зоне горения превышал бы в 6-10 раз объем распыленной части водяной струи.

Угли и теплоемкое основание топливных полок

. Также для обеспечения устойчивого горения следует обеспечить обогрев топливных сборок снизу для быстрого их высыхания и облегчения воспламенения в процессе их тушения и при повторном запуске. Это обеспечивается наличием углей под топливными сборками и теплоемким основание топливных полок (каменка в один слой камней размером 5-10 см на топливных полках). Благодаря углям и теплоемкому основанию, при подаче струй воды на топливные сборки, теплота, запасенная в теплоемком основании и в прогретой поверхности углей, обеспечивает быстрое высыхание топлива и его повторное воспламенение.

Обеспечение оптимальной вентиляции.

Так как при подаче воды на горящие топливные сборки и в распылённом виде в раскаленную газовую среду тренажера, образуется большое количество пара и водяного тумана, обеспечивающего объемное тушение пламени, необходимо устроить в крыше тренажера дымовой люк с площадью сечения в свету, равной 1 м². Открытие данного люка в самом начале подачи воды обеспечит быстрый выпуск пара и продуктов горения, что предотвратит объемное тушение и повысит устойчивость горения.

Применение высококипящих горючих жидкостей

Дополнительно возможно размещение на топливных полках емкостей для высококипящих горючих жидкостей, таких как отработанное моторное масло, защищенных от попадания водяных струй защитными экранами. При горении топлива на топливных полках, высококипящая жидкость будет нагреваться и выделять горючие пары, а при тушении водой, при попадании в емкость с данной жидкостью капель воды, будет происходить вскипание жидкости с возникновением мощной вспышки.

Наличие препятствий для водяных струй и для продвижения ствольщиков со стволом и рукавной линией

Для этого следует предусмотреть достаточные площадь пола и ширину пространства между топливными полками, а также разработать огневые препятствия. Данные препятствия должны быть передвижными, устойчивыми, пригодными для создания на них очагов горения и должны иметь стенку, непроницаемую для водяных струй.

Конструктивное обеспечение безопасности тренировок

Включает в себя конструктивные меры, обеспечивающие защиту рукавной линии от пережатия створками ворот и дверей путем устройства окон для пропуска рукава в нижней части створок. Также безопасность обеспечивается наличием дымового люка в крыше, позволяющего выпустить пар и продукты горения для резкого снижения температуры и обеспечения видимости.

Обеспечение быстрой загрузка новых порций твердого топлива

Это позволяет добавлять топливо не производя полное тушение и охлаждение огневой зоны, что позволяет исключать большие перерывы в работе тренажера и дает возможность проводить больше тренировок за учебный день. Для этого требуется разработать конструкцию топливных сборок, позволяющих быстро добавлять большое количество топлива, находясь в огневой зоне минимальное время.

5 Выбор вида топлива и огневого оборудования тренажера

Существуют следующие варианты вида топлива и соответствующего технологического оборудования для формирования пламени и прочих опасных факторов пожара:

- топочное оборудование на твердом топливе;

- оборудование на жидком топливе с применением свободно налитого жидкого топлива и ламинарных струй жидкого топлива;

- оборудование на жидком топливе с применением распылительных форсунок;

- газовое огневое оборудование (также может разделяться по способу питания на оборудование на природном газе и на оборудование на сниженном газе).

Также возможны комбинации из нескольких видов оборудования в одном тренажере.

У каждого способа создания огневой обстановки есть свои преимущества и недостатки:

Твердое топливо:

Огневые и теплофизические свойства: Низшая теплота сгорания – 16,5·МДж/кг, плотность – 450-650 кг/м³, вид горения летучих - гомогенный с температурой горения 1450-1500К, вид горения углистого остатка- гетерогенный с температурой горения 850-1000 К. [ ] (А. с. Андросов, И. Р. Бегишев, Е. П. Салеев, Теория горения и взрыва. АГПС, М.: 2007). При горении образуется дым средней плотности серого цвета, изменяющийся на бурый при недостатке воздуха и на черный при нахождении древесины в струе пламени при отсутствии избытка воздуха.

Поджигание древесины в топке требует расхода жидкого топлива для растопки — до 10 кг жидкости (смесь, содержащая различные количества бензина, дизельного топлива и масла); горение одной загрузки длится продолжительное время (до одного часа), быстрое прекращение горение возможно только путем принудительного тушения с расходом ОТВ; возможность получать при сжигании древесины газовую среду с высокой температурой и наибольшим из всех видов топлива энергосодержанием, с наличием в газовой среде горючих пиролизных газов, нагретых выше температуры самовоспламенения, что позволяет демонстрировать мгновенную горячую вспышку и отложенную горячую вспышку; сильная зависимость огневых свойств топлива (древесины) от влажности древесины, образование при сжигании древесины углей, повышающих устойчивость горения при тушении за счет своей высокой температуры и толстого переугленного слоя.

Эксплуатационные свойства: распространенность и доступность топлива (годятся любые предметы из древесины, в том числе мебель и древесный и хозяйственный мусор) вплоть до возможность бесплатного снабжения топливом. В то же время требуется трудоемкая подготовка топливной загрузки (погрузка-разгрузка сырья, разборка, сушка и складирование сырья, перед топкой необходимо напилить древесину на элементы определённой длины, собрать из них топливные сборки и загрузить их в топку) и последующее обслуживание тренажера (проливка углей, их разгрузка из тренажера, погрузка и вывоз на утилизацию). Таким образом, тренажер с топкой на твердом топливе является трудоемким в обслуживании и низкозатратным, то есть хорошо подходит при наличии команды энтузиастов огневого обучения пожарных.

Жидкое топливо:

Огневые и теплофизические свойства: температура вспышки керосина 40-47ºС, плотность 700-850 кг/м³, Низшая теплота сгорания 43 МДж/кг. Вид горения – гомогенный. Температура горения 1000-1100 К. Дым – черный, при принудительной подаче больших количеств воздуха – серый. Для поджигания топлива требуются специальные системы (фитильные, электрические, пиротехнические), либо зажигание факелом вручную. Объем порции топлива и продолжительность её горения можно легко регулировать в широких пределах, при прекращении подачи топлива горение может продолжаться до 5 минут, быстрое прекращение горения возможно путем тушения большим количеством тонкораспыленной воды, воздушно-механической пеной и порошком, а также путем слива несгоревшей части топлива. Прекращение горения при применении форсуночных систем возможно немедленно при прекращении подачи топлива. Жидкое топливо с низкой температурой вспышки (бензин) обладает способностью поддерживать устойчивое к попыткам тушения горение при наличии постоянного источника воспламенения (раскаленные угли твердого топлива, электрические системы поджига). При сжигании жидкого топлива возможно получение высокой температуры газовых потоков, содержащих горючие газы. Огневые свойства топлива стабильны и зависят, в основном, от состава топливной смеси, в которую могут входить горючие жидкости с различными свойствами, наиболее доступные из которых — различные моторные топлива и ГСМ (бензин, солярка, отработанные масла). Жидкие топлива имеют наибольшую удельную теплоту сгорания. Теплосодержание продуктов горения очень высокое.

Эксплуатационные свойства: жидкое топливо является наиболее удобным топливом - хранится в любых емкостях, перекачивается насосом и перемещается переливом, не требует сложного оборудования. Приобретение жидкого топлива практически возможно только за деньги, так как оно является высоколиквидным рыночным товаром.

Благодаря низкой трудоёмкости эксплуатации огневой тренажер на жидком топливе является хорошим вариантом для учебных организаций со стабильным финансированием при наличии утвержденной статьи расходов на топливо для проведения тренировок. С другой стороны, благодаря высокой ликвидности жидкого топлива возможны хищения топлива в учебной организации.

Для использования жидкого топлива необходимо разрабатывать такую конструкцию топливной аппаратуры, которые позволяют сжигать жидкое топливо с наибольшей возможной полнотой, а также системы водоотведения, которые обеспечивают разделение стоков на незагрязненную сточную воду, небольшое количество загрязненной воды и влажное топливо, сбор загрязненной воды и повторное использование влажного топлива для проведения топок.

Газовое топливо

Достоинства: газовое оборудование обеспечивает простое и надежное управление температурой пламени и мощностью горения, что позволяет обеспечить высокую безопасность тренировок.

Дорогое и достаточно сложное оборудование, газовое баллонное топливо несколько более дешёвое, чем жидкое, сетевой природный газ ещё более дешев; теплота дымовых газов и температура пламени значительно ниже, чем у жидкого и твердого топлива, что обеспечивает «упрощенную» обстановку, менее реалистично воссоздающую обстановку на пожаре. Для новичков и для первоначального обучения работе со стволом это условно можно считать небольшим плюсом, но для качественного обучения ствольщиков, передачи мастерства это существенный недостаток.

Вывод: для огневого тренажера ствольщика, который эксплуатируется командой энтузиастов в отсутствии финансирования предпочтительно использование твердого топлива (древесины) с растопкой небольшим количеством жидкого топлива.

Для огневого тренажера ствольщика, который эксплуатируется учебными центрами, прочими учебными организациями, предпочтительным видом топлива является комбинация твердого топлива и жидкого топлива.

Для первоначальной подготовки пожарных и тренировок гражданских лиц пользованию первичными средствами пожаротушения оптимально использование тренажеров и симуляторов горения на баллонном сжиженном горючем газе.

6 Описание эксперимента по тушению учебного очага горения в масштабной модели огневого тренажера ствольщика

Эксперименты по тушению учебного очага горения в масштабной модели огневого тренажера ствольщика был проведен 31 октября 2015 года и 14 ноября 2015 года на набережной реки Москвы по адресу ул. Донецкая (см. рисунок 24)

Рисунок 24 - Экспериментальная площадка.

В экспериментальных тренировках участвовали 36 человек: пожарные ПЧ-9, пч-76 г. Москвы, руководители и спасатели отряда «Центроспас» , пожарных и аварийно-спасательных отрядов Пожарно-спасательного центра г. Москвы, и спасатели ПСО «Спасрезерв».

Для проведения эксперимента была построены масштабные модели огневых тренажеров ствольщика в масштабе 1:3 (рисунок 25) и в масштабе 1:2 (рисунок 30). Ограждающие конструкции тренажера были изготовлены их древесно-стружечных плит ДСП толщиной 18 мм и размером 1,8х1,5 м. Размеры отсека были выбраны: в плане 1,8х1,5 м и высотой 1,5 м. С целью повышения предела огнестойкости конструкции, был предпринят ряд мер: стыки между плитами были заделаны брусками 30х40 мм и дополнительно уплотнены почвенным грунтом. Изнутри конструкции стыки были изолированы от огня самоклеющейся лентой из алюминиевой фольги. С той же целью поверхность крыши отсека была покрыта густой смесью почвенного грунта и воды.

Рисунок 25 - Внешний вид модели огневого тренажера ствольщика.

Топливные полки со стойками были собраны в виде свободностоящей конструкции из досок толщиной 50 мм, при чем перед установкой стоек с полками в отсек тренажера, стойки с полками были погружены в воду на 40 минут. До сквозного прогорания стен модели удалось провести 16 сеансов тренировок. Площадь пола модели составила 2,7 м², Площадь размещения горючей нагрузки составила 4,5 кв.м. Площадь поверхности горения 20 кв.м. Проектные характеристики огневого тренажера составляют: размер в плане 12х5 м, высота 2.6 м, площадь размещения 30-36 м², площадь поверхности горения 162 кв.м. При площади пожара модели в 8 раз меньше, чем в будущем тренажере, расход воды ствола можно было снизить только в 3,5 раза (до 0.95 л/с) то есть удельная интенсивность подачи воды оказалась в 2,3 раза больше, чем будет в тренажере. А с учетом того, что для повышения трудности заданий, в большом тренажере расход ствола будет снижаться до 1,5-2 л/с, вместо 3,5 л/с, то при тушении модели удельная интенсивность подачи получалась в 6 раз выше, чем нужно для хорошей тренировки в проектируемом огневом тренажере (рисунок 26).

Рисунок 26 - Тушение модельного пожара в огневом тренажере.

Отсюда и эффект очень быстрого тушения, для прекращения пламенного горения некоторым участникам было достаточно сделать в течение 10 секунд 6

спрысков распыленной водяной струёй длительностью от 0,25 до 0,75 секунд c суммарным расходом воды от 3 до 10 л и удельным расходом воды менее 2 л/м²;

с учетом импульсного характера тушения, интенсивность подачи воды составила I = (0,95·0,5·6)/4,5·10 = 0,06 л/с·м². Однако было очень хорошо видно, что опытные и умелые ствольщики тратят намного меньше воды при тушении пожара (воду подавали мотопомпой из пластиковой емкости 1000 л для измерения расхода воды. Емкость заполняли мотопомпой из реки (рисунок 27).
Рисунок 27 - Пожарное водоснабжение эксперимента.

Рисунок 28 - Защитная экипировка участников эксперимента.

Всем участникам очень понравилась возможность тренироваться реальному тушению. Участники эксперимента были снабжены защитной экипировкой, в которую входили боевая одежда пожарного, огнестойкий подшлемник, пожарный шлем с защитным прозрачным щитком, защитная обувь, пожарные перчатки и дыхательный аппарат.

В первые два сеанса тренировки, участники не включались в дыхательные аппараты (рисунок 28), рассчитывая для защиты от теплового излучения и высокой температуры пламени и на прозрачный защитный щиток. Выяснилось, что даже в таком маленьком пожарном отсеке необходимо продвигаться со стволом к очагу для эффективного тушения пожара. При этом на ствольщика начинает действовать смесь дыма и пара, что приводит к невозможности для ствольщика находиться в пожарном отсеке дольше времени задержки дыхания.

Практически показано, что на одной закладке топлива можно проводить до 8 тушений. При использовании жидкой растопки (смесь 75% дизельного топлива и 25% бензина) режим горения полностью восстанавливается за 30 секунд, если просто ждать, то горение полностью восстанавливается за 5-7 минут за счет теплоты и тепловыделения гетерогенного горения углей.

Рис. 29. Растопка жидким топливом и вид топливных сборок.

Также установлено, что при использовании предварительно подготовленных топливных сборок (рисунок 29), загрузка тренажера топливом возможна после тушения пламенного горения без его проливки и охлаждения углей, на догрузку топлива требуется около 30 секунд.

Рисунок 30 - Тренировка в модели тренажера в масштабе 1:2

Вывод: Эксперимент по проведению тренировок на уменьшенной модели огневого тренажера показал, что данные тренировки эффективны для обучения ствольщиков, горение в тренажере после тушения легко восстанавливается, расходы на проведение тренировки невелики, существует возможность надежно обеспечить безопасность тренировок и участие в огневых тренировках вызывает большой интерес и удовлетворение у участников.

7 Расчёт и обоснование оптимальных параметровогневого тренажера ствольщика

Расчет геометрических параметров тренажера:

Рассчитаем ширина и высота тренажера: поперечный размер (диаметр) распыленной струи в рабочей области составляет около d = 1,5 м и, соответственно, площадь сечения распыленной струи в этой области составляет:

S = πd²/4 (40)

где S- площадь поперечного сечения струи

S =3,14·1,5·1,5/4 = 1,75 м²

Представляется, что поперечное сечение объема, заполненного пламенем в тренажере ствольщика должно примерно в 6-10 раз превышать сечение струи в её рабочей области. Учитывая удобство строительства данного тренажера из морских контейнеров с поперечным сечением 2,5х2,7 м, то есть 6,75 м², можно предложить проекты тренажера ствольщика из 2 составленных боковыми сторонами контейнеров и из 3 контейнеров. Поперечные сечения будут:

для двух контейнеров: 6,75·2 = 13,5 м²,то есть в 7,7 раз больше рабочего сечения струи.

Для трех контейнеров: 6,75·3 = 20,25 м², то есть в 11,5 раз больше рабочего сечения струи.

Учитывая, что конструкция из двух соединенных боковыми сторонами контейнеров значительно проще тройной конструкции из-за необходимости объединять внутреннее пространство контейнеров путем удаления внутренних боковых стен с установкой на их месте колонн или с устройством подвеса кровли за наружную конструкцию, представляется разумным остановиться на двойном контейнерном тренажере.

Рассчитаем длина тренажера: решение строить тренажер ствольщика из морских контейнеров диктует следующие возможности выбора длины тренажера:

-принять длину тренажера равной длине стандартного морского контейнера (20 футов/6 метров или 40 футов/ 12 метров)

-при необходимости иной длины, изменять длину морских контейнеров в процессе строительства тренажера, то есть удлинять или укорачивать стандартные контейнеры.

Рассчитаем оптимальную длину тренажера: представляется, что зона возможного тушения в тренажере по глубине должна быть не менее глубины тушения ручными стволами, то есть не менее 5 метров. На случай появления пожарной техники, обеспечивающей повышенную глубину тушения, представляется разумным несколько увеличить эту зону.Также необходимо иметь возможность устраивать учебную позицию ствольщика не только снаружи от тренажера, но и внутри его, так, что бы на позицию ствольщика действовали контролируемые опасные факторы пожара. С учетом этих требований целесообразно увеличить длину огневого тренажера до 6 метров. Данная величина близка к длине 20-футовых морских контейнеров, так что для первого приближения представляется возможным использовать 20-футовые морские контейнеры без изменения их длины.

8 Расчет площади очага горения

Выберем схему расположения горючей нагрузки в топочной камере огневого тренажера.Для создания мощного очага горения, устойчивого к попыткам тушения ручным стволом требуется при выборе схемы расположения горючей нагрузки в топочной камере выполнить три условия:

- Обеспечить достаточную площадь горения для выделения большого количества летучих и обеспечения высокой тепловой мощности очага.

- Обеспечить взаимный подогрев отдельных порций горючей нагрузки для повышения стабильности горения при попытках тушения за счет обогрева потушенных частей очага пламенем, тепловым излучением и высокой общеобъёмной температурой других, ещё не потушенных частей очага

- Обеспечить благоприятные для горения условия локального газообмена, приток воздуха к локальным очагам.

Также при выборе схемы размещения горючей нагрузки следует учитывать удобство работы, с огневым тренажером при загрузке топливом, проведении занятий (удобство продвижения со стволом среди топливных полок модельного очага), разгрузке тренажера от остатка углей, золы и несгоревшего топлива, удобство дозагрузки горящего тренажера топлива.

Представляется, что для выполнения данных условий рационально применить укладку твердого топлива на полках, расположенных в несколько ярусов вдоль всей задней и половины длины боковых стен. Необходимо провести расчет варианта с числом ярусов, равным 2, 3 и 4.

Перед расчетом характеристик горючей нагрузки при различных вариантах её организации, примем, что площадь горения следует установить исходя из возможностей водяного ствола, применяемого при тренировках, по тушению очагов горения. При использовании ствола наименьшей производительности, РС-50, с расходом воды 3,5 л/с, рассчитаем приблизительную площадь очага, которую можно потушить таким стволом:

S(рс-50) = Q (рс-50) / I(норм) (41)

S = 3,5/0,1 = 35 м².

То есть следует стремиться к организации схемы размещения горючей нагрузке с суммарной площадью горения 30 м2, имея ввиду добавить ещё 5 м2 за счет размещения передвижных очагов-препятствий.

Рассмотрим доступные варианты: Вариант А:

горючая нагрузка расположена на полках вдоль задней стены и боковых стен на половину их длины. По высоте стен расположены 2 яруса полок.

Длина боковых полок составляет половину длины боковой стены контейнера, сумарная длина полок есть сумма длин боковых полок и задних полок:

суммаL= сумма L(бок.полок) +сумма L(задних) (42)

при том:

L(бок.полок) = 2 х ½ L(контейнера) (43)

Сумма L = N [2 х ½L(контейнера) +L(задних)] (44)

Учитывая, что

S = произведение Lиb, и сумма L приближается к N(1/2 L(контейнера)

получим, что ширина полки bприблизительно составляет:

b = S/N1/2L(контейнера) (45)

b = 30/2(2 х 6/2+2(6-4) = 1,5 метра.

Полки такой ширины весьма неудобны, так как очень неудобно производить загрузку таких полок топливом, особенно нижней полки. К тому же между полками останется пространство шириной

Ш(св.простр.) = Ш — 2b = 5 – 2х1,5 = 2 метра.

Свободное пространство шириной всего 2 метра затруднит продвижение и маневрирование ствольщика со стволом, особенно в присутствии инструктора. Выполнение упражнений при установке локальных очагов-препятствий станет очень сложным.

Рассмотрим вариант Б:

Горючая нагрузка расположена на полках вдоль задней стены и боковых стен на половину их длины. По высоте стен расположены 3 яруса полок (N= 3). Длина боковых полок составляет половину длины боковой стены контейнера, суммарная длина полок есть сумма длин боковых полок и задних полок:

b = S/(N(2х1/2L+N(6-2b)) (46)

b = 30/(3(2x1/2x6)+3х4) = 30/30 = 1 метр.

Расстояние по высоте между полками при высоте потолка тренажера 2,4 метра, h (межполочное) = 2,4 / N+1 = 2,4/4 = 0,6 м. Такой вариант вполне удобен.

Рассмотрим вариант В: горючая нагрузка расположена на полках вдоль задней стены и боковых стен на половину их длины. По высоте стен расположены 4 яруса полок (N = 4). Длина боковых полок составляет половину длины боковой стены контейнера, суммарная длина полок есть сумма длин боковых полок и заних полок:

b = S/(N(2х1/2L+N(6-2b)) (47)

b = 30/(4(2x1/2x6)+4х4,5) = 30/41,5 = 0,73 метра.

Межполочное расстояние по высоте:

h (межполочное) = 2,4 / N+1 = 2,4/5 = 0,48 м. Это также приемлемый вариант, однако менее удобный из-за малого межполочного расстояния.

Выбираем вариант Б — трехъярусное расположение полок для размещения горючей нагрузки. Ширину полки примем равной 1 метр.

Рассчитаем площадь очага горения:

S = Nx 3 x 2 xb + N(5-2b) = 3x3x2x1+3(5-2) = 18+9 = 27 м2.

Для наращивания площади очага нарастим длину боковых полок на 0,5 м, тогда приращение площади горения составит:

6S = 0,5x2N = 0,5x6 = 3 м²

Суммарная площадь очагов горения на полках составит:

27+3 = 30 м².

Длина боковых полок составляет 3,5 м, длина задних полок составляет 3 м, число ярусов полок — 3 яруса.

9 Разработка конструкции передвижного очага-препятствия

Реальные горящие помещения характеризуются не только площадью горения, но и характером размещения горючей нагрузке по площади пола. К тому же предметы мебели в горящем помещении создают препятствия для передвижения, наблюдения и видимости и для водяных струй, при чем предметы в горящем помещении могут создавать завалы, которые могут быть труднопреодолеваемыми, горящими и создающими помехи для прокладывания и протаскивания рукавных линий. Для моделирования таких препятствий продвижению ствольщика, наращивания площади горения и для закрытия пространства от огнетушащих струй, необходимо применять передвижные очаги-препятствия.

Требования к передвижным очагам-препятствиям

- Вес с горючей загрузкой более 30 кг (для обеспечения устойчивости и предотвращения несанкционированного сдвигания препятствия при передвижении ствольщика в тренажере и вес пустого не более 40 кг (для возможности переносить и передвигать очаги-препятствия вручную);

- Очаги-препятствия должны быть изготовлены из материала, устойчивого к высокой температуре, например из стального толстостенного катаного профиля, уголка с толщиной профиля 5 мм или квадратной трубы с толщиной стенки 4-5 мм;

- Препятствие должно иметь с одной из четырех сторон стенку для защиты очага от водяной струи и для препятствия полету водяной струи в пространстве симулятора, что дает возможность создавать внутри тренажера конфигурацию препятствий, которая заставит ствольщика продвигаться со стволом вглубь горящего помещения. Высота защитной стенки должна составлять от 1,5 до 2 метров; площадь, занимаемая очагом-препятствием в тренажере — 1 м2, размер препятствия в плане — 1х1 м, число ярусов размещения горючей нагрузки — 1 или 2 яруса.

10 Огневой расчет тренировочного пожара

Расчет горючей и пожарной нагрузки. Вид топлива и его укладка на

топливные полки.Исходя из анализа свойств топлива и топочного оборудования выбираем твердое топливо — древесные доски размером в поперечном сечении от 20х100 мм, горбыль и обрезки, растапливаемые жидкой топливной смесью бензина и дизельного топлива. Для повышения площади горения и создания благоприятного для горения доступа воздуха, доски следует соединим в топливные сборки. Для растопки топлива в целях быстрого распространения горения, смачиваем топливо жидким горючим (смесью дизтоплива и бензина в соотношении 5:1) непосредственно перед поджиганием сборок в количестве 5 л. на одну растопку.

Разработка конструкции топливной сборки

Для повышения площади горения путем снижения площади соприкосновения досок между собой, расположим доски продольно, узкой стороной к горизонтали. Для фиксации досок в положении «на ребре», соединим доски в топливные сборки с размещением между досками в качестве распорок обрезков доски толщиной 15-25 мм. Ширину топливной сборки примем равной ширине полки, 1000 м, длину топливной сборки примем равной половине длины полки, 2000 мм. Соединение досок в топливную сборку выполним путем обвязки мягкой стальной проволокой диаметром 1,5 мм. Проволочные обвязки следует вязать в двух местах сборки, на уровне распорок, натяжение проволочной связки обеспечивать с помощью закрутки наконечником лапчатого ломика. Рассчитаем горючую нагрузку от топливной сборки на 1 м²: ширина топливной сборки — 1 м, длина сборки на 1 м² составляет также 1 м. При использовании досок толщиной 20 мм, на одну доску с учетом толщины распорки (также 20 мм) приходится 40 мм. Число слоёв (досок)

N (дос.сборки) = 1000/40=25 досок/м. пог.,

объем древесины на 1 м сборки:

V(лин. Сбор) = N·l·b·s + (2N-1)· b·s (48)

V(лин.сбор) = 25·1·0,15·0,02 + 2·2·0,1·0,15·0,02= 0,090 м²

вес сборки на 1 м²:

= V·ρ = 0,09·500 = 40 кг/м².

Рассчитаем общую горючую загрузку на одну топку при однослойной укладке сборок:

= = 30·40 = 1200 кг древесины.

Удельная горючая загрузка составляет:

= /S = 1200/(125) = 20 кг/м².

Пожарная нагрузка от твердого топлива составляет:

= (49)

= 1200·16,5·= 19,8 ГДж.

Пожарная нагрузка от жидкого (растопочного) топлива составляет:

=· (50)

= 5·43· = 215 МДж.

Суммарная пожарная нагрузка составляет:

+ 19,8+0,215 = 20 ГДж.

Удельная пожарная нагрузка составляет 20/12 = 1,67 ГДж/м².

Площадь поверхности горения для одной топливной сборкисоставляет:

= N[2(b+s) l – ] (51),

= 25(2(0,1+0,02)·2) = 12 м²,

для полной загрузки тренажера топливом:

=N(сбор) (52)

= 12·18 = 216 м².

11 Расчет вентиляции и определение режимов тренировочного пожара

Газообмен происходит через открытый фронтальный проем, образованный воротами контейнеров, из которых изготовлен тренажер. Высота и ширина данных проемов соответствует площади вертикального сечения помещения тренажера, то есть высота проема h = 2,5 м.

Высота плоскости равных давлений (ПРН):

Фактический расход воздуха:

,

где μ, коэффициент сопротивления проема = 0,7, B - ширина проема, 5 м, 3,75 м, 2,5 м, 1,12 м, – высота плоскости равных давлений, 0,98 м, g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с², – плотность воздуха, — плотность продуктов горения, тогда:

= 352/= 352/1100 = 0,32 кг/м².

При всех четырех открытых створках ворот, расход воздуха буде составлять:

,

при трех открытых створках:

7,17 кг/с,

при двух открытых створках:

,

и при одной открытой створке:

.

При горении топливных сборок из древесных досок, режим пожара можно определить по параметру Ф:

При всех четырех открытых створках (ширина проема 5 м, площадь 12,5 м²), параметр Ф равен:

= 0,34 (пожар, регулируемый нагрузкой, ПРН).

При трех открытых створках (ширина проема 3,75 м, площадь 9,37 м²), параметр Ф равен:

= 0,252 (переходный режим).

При двух открытых створках (ширина проема 2,5 м, площадь 6,25 м²), параметр Ф равен:

= 0,168 (пожар, регулируемый вентиляцией, ПРВ).

При одной открытой створке (ширина проема 1,25 м, площадь 3,12 м²), параметр Ф равен:

= 0,085 (ПРВ)

Вывод: с помощью управления вентиляцией пространства в огневом тренажере путем открывания различного числа створок ворот возможно достигать любого возможного режима пожара, тем самым создавая необходимые огневые условия для любых учебных задач.

Экологическая часть

Расчет экологического ущерба от загрязнения окружающей среды при проведении огневой тренировки в огневом тренажере ствольщика сводится к определению состава и количеств загрязнителей и последующему расчету величины эколого-экономического ущерба на основе Постановления Правительства РФ № 632 . При проведении огневых тренировок практически возникает загрязнение только воздуха, так как при горении древесины образуется дым, а все несгоревшие остатки сжигаются в ходе последующих тренировок.

Определение массы сгоревших веществ и материалов за одну тренировку при пожарах – G_г

Расчет массы выгоревших веществ и материалов возможен различными способами, исходя из имеющихся данных с учетом количества загрузок топлива за одну тренировку. На основе опыта исследовательских занятий на моделях огневых тренажеров установлено, что в ходе тренировки целесообразно делать не менее двух загрузок. Тогда масса выгоревших материалов за тренировку будет составлять:

Gт = Nз · Gз (40),

где G_т – масса топлива, сгорающего за тренировку,

Nз (раз) = 2 – количество загрузок топлива за тренировку,

Gз (кг) = 1200 – масса топлива в одной загрузке.

так, Gз = 2·1200 = 2400 кг.

Так как в качестве топлива для проведения огневых тренировок применяется древесина, то для расчета количества продуктов горения используем данные табл. 1. Материал – древесина, объем продуктов горения V⁰_п.г— 4,5 м³/кг.

Определение состава продуктов горения

Исходя из того, что в при проведении огневой тренировки известны вещества и материалы, которые подвергаются разложению и горению, можно найти состав (вид и количество) продуктов горения. С этой целью в табл.1 приведены объем и концентрация A_п.г основных продуктов горения некоторых веществ и материалов.Состав продуктов горения указывается в мг/м³, т/т_горюч, но может быть выражен и в других единицах измерения. Необходимо отметить, что концентрацию, выраженную в единицах т/т_горюч. и означающую, какое количество в тоннах единичного (i-го) загрязнителя образуется в результате сгорания одной тонны горючего материала, принято называть удельной массой i-го загрязнителя m_i.

Таблица 1 Основной состав токсичных продуктов горения некоторых материалов

Токсикант	Концентрация продуктов горения jп.г, мг/м3
	Древесина
Оксид углерода	26,0·103
Метанол	2,1·103
Формальдегид	15,0·103
Акролеин	1·103
Ацетальдегид	8,4·101
Уксусная кислота	1,5·102

Расчет эколого-экономического ущерба от загрязненияокружающей среды при проведении огневой тренировки

Для экономической оценки экологических последствий огневых тренировок может быть использована система расчета ущерба от загрязнения ОС на действующих объектах техносферы. Величину эколого-экономического ущерба от загрязнения ОС при проведении тренировок целесообразно учитывать при определении экономического эффекта от внедрения огневого тренажера ствольщика, включая его в величину издержек.

Опасный характер загрязнения ОС при пожарах и авариях, вынужденных сверхлимитных залповых выбросах учитывается введением соответствующих повышающих коэффициентов, уточняющих удельный экономический ущерб. По Постановлению Правительства РФ № 632 коэффициент, корректирующий размер экономического ущерба при аварийном загрязнении природной среды, принят равным 25.

Эколого-экономический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха рассчитывается по формуле:

, (41)

гдеК_а – коэффициент аварийности, равный 25;

К_э^а–коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния воздушного бассейна в регионе, где произошли пожар или у_уд^а – удельный экономический ущерб от выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, руб./усл. т. Его изменение связано с инфляционными процессами в стране и ежегодно корректируется;

ПДК_ссi– cреднесуточная предельно допустимая концентрация i-го загрязнителя в атмосферном воздухе, мг/м³;

1/ПДК_ссi – показатель относительной токсичности i-го загрязнителя в атмосферном воздухе является безразмерной величиной;

m_i – удельная масса i-го загрязнителя при пожаре или аварии, попавшего в воздух, т/т_горюч;

G_г –масса сгоревшего при пожаре или попавшего на почву или в водоем при аварии, т_гор;

i – вид загрязнителя воздуха;

N – число загрязнителей.

Коэффициенты К_э^а, К_э^п могут увеличиваться для городов и крупных промышленных центров на 20 %. Для Москвы К_э^а = 1,9·1,2 = 2,28.

Общее количество вредных веществ с учетом их токсичности определяют как сумму произведений массы сгоревшего материала на величину удельной массы i-го загрязнителя и на показатель относительной опасности.

Массу сгоревшего материала G_г, т, находят по фактическим данным G_г = 2,4 т

Рассчитаем табличным способом величину суммарной относительной токсичности продуктов горения:

Σ(1/ПДК_cc)·m_i (42)

Таблица 3- Относительная токсичность продуктов горения

Токсикант	φ, мг/м³	Vпг, м³/кг	mi, т/т	ПДКсс, мг/м3	(1/ПДКcc)·mi
Оксид углерода	26,0·103	4,5	0,117	3	0,039
Метанол	2,1·103		0,00945	0,5	0,019
Формальдегид	15,·0103		0,00675	0,003	2,25
Акролеин	1·103		0,0045	0,03	0,15
Ацетальдегид	8,4·101		3,8·10-4	0,01	0,038
Уксусная кислота	1,5·102		6,8·10-3	0,06	0,13

Σ= 2,65

Величина эколого-экономического ущерба:

= 25·2,28·5,02·2,4·2,65 = 1819 рублей.

Вывод: величина эколого-экономического ущерба при проведении тренировки ствольщиков в течение одного дня составляет 1819 рублей.

13 Экономическая часть

Величина экономического эффекта можно рассчитать как разность между величиной снижения ущерба от пожаров вследствие повышения эффективности работы пожарными, прошедшими тренировки в огневом тренажере и величины затрат и издержек, возникающих при работе огневого тренажера ствольщика.

Снижение ущерба от пожаров от повышения эффективности работы пожарными, прошедшими тренировки в огневом тренажере объясняется прекращением ущерба от излишнего пролива воды и снижением количества пожаров, перешедших в развившуюся форму после прибытия первого пожарного подразделения.

Величина затрат и издержек составляется из капитальных затрат на создание огневого тренажера и его основного оборудования, включаемого в годовые расходы в виде амортизационных отчислений, расходов на приобретение твердого и жидкого топлива, расходов на заработную плату преподавателей и инструкторов и величины эколого-экономического ущерба от загрязнения окружающей среды, возникающего от работы огневого тренажера, с учетом количества тренировок в год.

Расчет капитальных затрат

А = З(кап) · 100/П, нумерация

где А – амортизационные отчисления, рублей в год, З(кап) – капитальные затраты, рублей, П – годовая доля амортизации, процентов в год.

З(кап) = С(трен) + С(об),№

где С(трен) – стоимость тренажера, С(об) – стоимость основного оборудования.

С(трен) = С(пл)+2·С(конт)+С(дост)+С(мет)+ЗП(монт),

где С(пл) – стоимость подготовки площадки, 2С(конт) – стоимость двух 20-фт. морских контейнеров, С(дост) – стоимость доставки контейнеров, С(мет) – стоимость металла, ЗП(монт) – заработная плата монтажников, рублей.

ЗП(монт) = Т·ЗП/23 = 30·60000/24 = 75000 рублей,

где Т – трудоемкость изготовления огневого тренажера, дней; ЗП – среднемесячная заработная плата монтажника, 24 – число рабочих дней в месяц.

С(трен) = 15000+2·63000+12000+25000+75000 = 203000 рублей

З(кап) = 203000+150000 = 353000 рублей,

гдеС(об) состоит из стоимости 2 видеокамер и 4 карт памяти к ним, общей стоимостью 55 000 рублей и стоимости комплекта оборудования для измерения температуры в 6 точках огневого тренажера и индикации полученных показаний на световых табло стоимостью 95 000 рублей, а всего 150 000 рублей.

Амортизационные отчисления составят:

А = 353000·100/12 = 42 360 рублей в год.

Расчет годовых затрат и издержек

З = А+ЗП+(Ст+Уээ)·Nт,

где Ст – стоимость топлива на одну тренировку, , Уээ=1819 рублей – эколого-экономический ущерб от загрязнения окружающей среды за одну тренировку, Nт – число тренировок в год;

Ст = 3000 + 10·33+20·35 = 4030 рублей,

где 3000 – стоимость древесного топлива, 10 литров – количество бензина, 33 руб/литр – цена бензина, 20 литров – количество дизтоплива, 35 руб/литр –цена дизтоплива.

ЗП = 12·ЗПи·Nи + 12·ЗПп·Nп =12·35000·2 + 12·55000·2= 2 160 000 руб в год,

где 12 – число месяцев в году, ЗПи и ЗПп – среднемесячная заработная плата инструктора и преподавателя соответственно, Nи иNп– число инструкторов и преподавателей, соответственно. Тогда:

З = 42360+2160000+(4030+1819)·40 = 2436320 рублей в год.

Величина годовых затрат составляет 2 436 320 рублей в год.

Величина предотвращенного ущерба от пожаров состоит из снижения прекращения ущерба от излишнего пролива воды У(затоп) и снижения ущерба от снижением количества пожаров, перешедших в развившуюся форму после прибытия первого пожарного подразделения.

Уп = Nуч.год·(Nп.мн.·У(затоп)·К + N(разв)·У(разв)),

где Nуч.год – число пожарных, участников занятий в огневом тренажере в год = 20 участников за тренировку·40 тренировок в год = 800 участников в год. Nп.мн. = 2,7 – число пожаров в многоэтажных зданиях, приходящихся на одного пожарного в год, У(затоп) = 37000 рублей– средний ущерб от затопления квартиры, К = 4,3 – среднее число затопленных квартир на одном пожаре, N(разв) = 0,04 – среднее число пожаров, развившихся после прибытия первого пожарного подразделения, приходящееся в год на одного пожарного. У(разв) = 680000 рублей – средний ущерб от большого развития пожара.

Уп = 800·(2,7·37000·4,3 + 0,04·680000) = 365256000 рублей в год.

Величина экономического эффекта от внедрения огневого тренажера ствольщика составит:

Э = Уп – З = 365256000 – 2436 320 = 362819680 рублей в год.

Вывод: Годовой экономический эффект от внедрения огневого тренажера ствольщика составит 362 819 680 рублей в год.

14 Заключение

В данной работе разработана схема огневого тренажера ствольщика, сформулированы требования к навыкам ствольщика, требования к огневому тренажеру ствольщика, проведен анализ и выбор вида топлива и рассчитана его загрузка, разработана конструкция огневых сборок и передвижные огневые препятствия. Расчетом показана возможность путем управления вентиляцией с помощью открывания створок ворот создавать любые необходимые режимы учебного пожара для тренировки разных навыков ствольщика. Проведено экспериментальное исследование тренировок на уменьшенных моделях огневого тренажера ствольщика, благодаря чему подтверждена возможность проведения таких тренировок и получены ценные данные для детального конструирования огневого тренажера и экспериментально определены различные методы создания учебного пожара, устойчивого к тушению, который необходим для совершенствования навыков ствольщика тренирующимися в данном тренажере.

Также в данной работе определена величина эколого-экономического ущерба от проведения тренировок ствольщиков и рассчитан условный экономический ущерб от внедрения данного огневого тренажера в практику подготовки пожарных.

15 Список использованных источников

1. Тактика пожаротушения Tactical firefighti P. Grimwood K. Desmet Version 1. http://www.olerdola.org/documentos/cemac-kd-pg-2003.pdf

2. FOG NOZZLE TRAINING: ARE WE CREATING A HAZARDOUS IMPRESSION MICHAEL L. WALKERhttp://www.fireengineering.com/articles/print/volume-163/issue-10/features/fog-nozzle-training-are-we-creating-a-hazardous-impression.html

3. Live Fire Training as Simulation: The Role of Fidelity in Effective Training. Ed Hartin, MS, EFO, MIFireE, CFO. http://cfbt-us.com/pdfs/training_fidelity.pdf

4. Fredericks AA. (2000). Little Drops of Water: 50 years later, part 1. In Fire Engineering magazine. Retrieved from www.fireengineering.com/articles/print/volume-153/issue-2/features/little-drops-of-water-50-years-later-part-1.html.

5. Robertson JC. (2000). Father of Fog: Lloyd Layman. Retrieved fromhttp://firechief.com/mag/firefighting_father_fog_lloyd.

6. Ervidson M. (2008). The History of the Development of Modern Water Mist System Technology in Sweden. Retrieved from www.fogtec-international.com/PDF/EN/The-history-of-the-development-of-modern-water-mist.pdf.

7. Whitley W. (2011). Why Lloyd Layman Is Still Relevant. Retrieve d fromhttp://my.firefighternation.com/profiles/blogs/why-lloyd-layman-is-still.

8. 3-D Fire Suppression Calculations.www.firetactics.com/3D%20FIRE%20SUPPRESSION%20CALCULATIONS.htm.

9. Schwarz LG, Wheeler D. (2009). Transitional Fire Attack. In Fire Engineering magazine. Retrieved from www.fireengineering.com/articles/print/volume-162/issue-110/features/transitional-fire.html.

10. Realistic hot training to deal safety with flashover and bacdraft. Shan Raffel.http://www.academia.edu/8995019/Realistic_Live_Fire_Training_To_Deal_Safely_With_Flashover_and_Backdraught.

11. Обеспечение безопасности пожарных с помощью тренировок с открытым пламенем в огневых симуляторах пожара. ШанРаффель. http://www.fireman.ru/talk/viewtopic.php?t=4829

12. Brandkunskaр.Krister GiselssonMats Rosander (Talbok, Daisy, digital, ljud) 2003, Svenska, Förvuxna.https://biblioteket.stockholm.se/titel/920921

12. Теория горения и взрыва. Андросов А. С. Бегишев И. Р. Салеев Е. П. АГПС, М.:2007.

14. Мой завет молодым пожарным. Лундт Э. Э. М.: 1927.

15. Газодымозащитная служба пожарной охраны. Селиций Г.Е. издательство Наркомхоза РСФСР, М.:1950.

16. Влияние экстремальных условий на эффективность действий пожарного подразделений в связи с некоторыми индивидуальнными особенностям пожарных. .Самонов А.П. Диссертция. М.: 1978)

17. Пожарно-строевая подготовка. Теребнёв В.В., Грачев В.А., Подгрушный А.В., ТеребневА.В. М.: 2004

18. К вопросу применения тренажеров в подготовке пожарных. Интернет-конференция по пожарной тактике 2013

19. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. С. А. Бобков, А. В. Бабурин, П. В. Комраков. АГПС, М.:2014.