XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Новейшая технология пожаротушения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Он может родиться, окрепнуть и вырасти. Или зачахнуть и умереть. Он может быть трепетным и ласковым или коварным, жадным и яростным. Он набрасывается, пожирает, проглатывает. С ним борются – он отступает побежденным. Он может принести спасение или обернуться ужасной трагедией.
– Огонь! – это и возглас надежды заплутавшего путника и суровая команда, несущая смерть врагу.
Огненные волосы, горящие глаза, испепеляющий взгляд. Взрыв смеха, вспышка гнева, огонь желаний. Загореться мыслью, пылать энтузиазмом, гореть страстью, играть с огнем. Эти примеры напоминают нам, какую роль играет этот дар природы в нашей жизни. Наш язык наделил его чертами живого существа и, наоборот, внешность человека, его эмоции и поведение часто связываются со свойствами огня, пламени, горения. Можно представить, как изумлялись первобытные люди, наблюдая со страхом и недоверием случайное возникновение огня, его изменчивость, напоминающую необычное живое существо и его бесследное исчезновение. Недаром почти у всех народов мира в первобытном обществе существовал культ огня. Его почитали, ему поклонялись, его похищали и бережно хранили – ведь добывать огонь научились намного позже, чем его приручили (по археологическим данным это произошло около ста тысяч лет назад, в эпоху среднего палеолита).
Однако внезапное возникновение природного огня, случайно появившегося в результате удара молний или раскаленной вулканической лавы, могло привести к уничтожению человеческого жилища, изменению привычной среды обитания, экологической катастрофе.
Человечество сравнительно недавно, в России, например, начиная с 1649 года по указу Петра I в “Наказе о градском благочинии”, стало систематизировано заниматься тушением пожаров – была создана первая пожарная охрана России (до этого момента пожаротушение на Руси носило бессистемный характер).
На сегодняшний день, пожарная охрана в нашей стране представляет собой мощную оперативную службу, обладающую высококвалифицированными кадрами, современной техникой и имеющую развитую научную базу.
В наш век научно-технического прогресса, условия жизни современного общества способствуют росту числа пожаров и наносимого ими материального ущерба. Ежегодно на земном шаре возникает более 5 миллионов пожаров, они уносят жизнь десятков тысяч человек и уничтожают материальных ценностей на десятки миллиардов долларов [4].
До сих пор, для всего человечества, мировым стихийным бедствием остаются систематические лесные и торфяные пожары (рисунок 1), нередко наносящие живой природе огромный и непоправимый урон. При этом, концентрация токсичных веществ в зоне бедствия намного превышает допустимые нормы, а воздух близлежащих населенных пунктов заполняется едким ядовитым дымом.
Рисунок 1 – Лесные и торфяные пожары.
Недавние события, связанные с небывалой жаркой погодой прошедшего лета красноречиво свидетельствуют об этом – на территории нашей страны в 30 субъектах и 600 районах из-за высокой опасности природных пожаров был введен режим чрезвычайной пожароопасной ситуации [5]. Это заставляет специалистов пожарного дела постоянно искать новые, более совершенные методы борьбы с огнем.
Вместе с тем следует отметить, что за последние 360 лет существования пожарной службы охраны, способы и средства тушения пожаров (не только в России, но и во всем мире) практически не изменились. Так же как и раньше, все известные способы пожаротушения сводятся, по сути, к сбиванию пламени различными пламегасящими средствами и предотвращению поступления кислорода в зону горения, в основном водой и песком/землей. За последние сто-, сто пятьдесят лет, к ним еще добавились специальные пены и порошки, а также углекислота и инертные газы для тушения объектов, находящихся под электронапряжением (рисунок 2).
Рисунок 2 – Основные методы и средства пожаротушения.
Однако все эти методы зачастую не позволяют быстро и эффективно предотвращать возникновение очага возгорания и гарантировать надежную защиту от его повторного воспламенения.
В настоящее время, также известен и другой, более радикальный способ пожаротушения – тушение взрывом [6, 7 и др.]. Сущность этого способа состоит в “сдувании” (сверхзвуковом сбивании) факела пламени воздушной ударной волной, образующейся при подрыве тротила (или другого взрывчатого вещества), смешанного с огнетушащим веществом (порошок, песок, пена и др.) и помещенного (закинутого, выстрелянного и т. д.) в центр пламени (рисунок 3). Согласно данным, приведенным в источниках [6, 7 и др.], эффективность такого способа огнетушения, главным образом, зависит от мощности взрывчатого и свойств пожаротушащего вещества.
Рисунок 3 – Экспериментальные испытания системы пожаротушения взрывом , разработанной фирмой ВПК «Базальт» [6].
К основным недостаткам тушения взрывом можно отнести:
Вероятность возникновения обратного эффекта – огневого поражения еще большей площади возгорания (за счет “распыления” воздушной волной взрыва первоначального очага пожара во все стороны);
Недопустимость использования взрывчатых веществ в районах проживания людей и строений;
Отсутствие гарантии рецидива возгорания (повторного воспламенения).
Таким образом, к основным причинам малоэффективности рассмотренных способов и средств пожаротушения можно отнести как несовершенство самих технологий пожаротушения, так и их экономическая нецелесообразность, большая затратность (задействование большого количества людских и технических ресурсов).
Актуальность данной работы заключается в важности изучения вопросов, связанных с защитой от огня человека и охраной окружающей среды,
В соответствии с этим была поставлена цель.
Цель: разработать такой способ пожаротушения и устройство для его реализации, при использовании которого можно было бы быстро, эффективно, надежно и без появления побочных эффектов предотвращать любое возгорание с любой интенсивностью горения.
Задачи:
● Анализ литературных источников информации по современным методам и средствам пожаротушения, установление их эффективности и дальнейшей перспективы использования;
● Создание лабораторного образца новейшей системы пожаротушения и выполнения на нем экспериментальных исследований для проверки работоспособности и снятия характеристик;
● Формулирование рекомендаций по использованию новой системы пожаротушения для пожарозащиты жизненно-важных и ценных объектов.
Научная новизна. В настоящей работе предлагается к реализации на практике новый, не имеющий аналогов в мире, способ (и устройство, его реализующее) для борьбы с огнем, основанный на физическом эффекте отклонения факела пламени к одному из разноименных высоковольтных потенциалов внешнего электрополя. Физическое прекращение процесса горения происходит за счет нарушения условий протекания цепных реакций физико-химического деления заряженных радикалов воспламененных углеводородных веществ в ядре пламени. Другими словами, в специально созданном сильном электрополе между двумя высоковольтными электродами, легкие и подвижные отрицательно заряженные электроны, содержащиеся в пламени, начинают отклоняться в сторону положительно заряженного электрода и удаляются этим полем из зоны горения, в результате чего, нарушаются предельно-критические параметры протекания цепных реакций в зоне очага возгорания, и пламя быстро гаснет.
Практическая значимость. Полученные результаты проведенных исследований позволяют сделать результирующий вывод о достижении поставленной цели настоящей работы, а именно, был разработан наиболее простой и эффективный способ электротушения, позволяющий быстро, эффективно и надежно, без проявления побочных эффектов (тушение без образования дыма) предотвращать любое возгорание с любой интенсивностью горения, а разработанная электроогневая установка обеспечивает бесконтактное тушение (электроподавление) факела пламени без применения каких-либо пламегасящих веществ (вода, пена, порошок и др.).
Методы, используемые при подготовке работы: изучение сведений об объекте исследования из технической литературы, справочников, статей и журналов; поиск информации в Интернете; проведение эксперимента; систематизация и обобщение полученных результатов.
В рамках сотрудничества с МГТУ им. Н.Э. Баумана мы проводили исследование на базе кафедры под руководством научного сотрудника.
Для проведения экспериментальных исследований была создана лабораторная электроогневая установка, на базе лаборатории кафедры «МТ-13» МГТУ им. Н.Э. Баумана, на которой был апробирован принцип ее действия и сняты рабочие характеристики.
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО СПОСОБА ПОЖАРОТУШЕНИЯ
И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
Проведенный анализ существующих средств борьбы с огнем показал их недостаточную эффективность, также обусловленную большим расходом пламегасящих веществ, временными задержками, связанными с их заправкой тушащим материалом и появлением побочных эффектов при использовании. Так, например, к побочным эффектам, также можно отнести практически ”полный пролив” пожарной командой горящего многоэтажного дома пожаротушащими веществами (вода, смеси на основе воды), необходимый как для непосредственного тушения очага возгорания, так и для охлаждения рядом находящихся квартир/комнат, то есть, если пожар произошел на верхнем этаже высотного здания, то пострадавшими окажутся не только сами ”погорельцы”, но и их ближайшие соседи, соседи этажами ниже (рисунок 4).
Рисунок 4 – Во время тушения пожара “страдает” весь дом.
Согласно поставленной цели настоящей работы, необходимо разработать такой способ пожаротушения и устройство для его реализации, при использовании которого можно было бы быстро, эффективно, надежно и без появления побочных эффектов предотвращать любое возгорание с любой интенсивностью горения.
В соответствии с этим, разрабатывается специальное противопожарное устройство – электроогневая установка (ЭОУ) для бесконтактного тушения пожаров, принцип работы которой основан на новом способе пожаротушения (или более точнее – электрическом подавлении/угнетении) пламени любой интенсивности в статическом электрополе без использования какого-либо пламегасящего вещества.
На основе проведенного патентного поиска аналогов разрабатываемой ЭОУ установлено, что в мировой практике подобных устройств не встречается, а предложенный способ тушения пожаров, используемый в разрабатываемой конструкции ЭОУ можно назвать принципиально новым и не имеющим аналогов в мире.
Новый способ электроподавления пламени основан на физическом эффекте отклонения факела к одному из разноименных высоковольтных потенциалов внешнего электрополя [3].
Физически же, прекращение процесса горения происходит за счет нарушения условий протекания цепных реакций физико-химического деления заряженных радикалов воспламененных углеводородных веществ в ядре пламени. Другими словами, в специально созданном сильном электрополе между двумя высоковольтными электродами, легкие и подвижные отрицательно заряженные электроны, содержащиеся в пламени, начинают отклоняться в сторону положительно заряженного электрода и удаляются этим полем из зоны горения, в результате чего, нарушаются предельно-критические параметры протекания цепных реакций в зоне очага возгорания, и пламя быстро гаснет [1].
Разрабатываемая ЭОУ (см.рисунок 5 приложение) конструктивно представляет собой электрическое устройство, состоящее из источника электрического тока (переменного – при использовании, например, бытовой электросети или постоянного – при использовании, например, аккумуляторной батареи), блока управления (для регулировки величины напряженности электрополя между высоковольтными электродами, а также для преобразования переменного тока в постоянный в случае использования электросети) и двух высоковольтных, жаропрочных электрода – один из которых (отрицательно заряженный) должен быть помещен непосредственно в центр пламени, а другой (положительно заряженный электрод) должен находиться над первым, на некотором расстоянии (см. рисунок 6 приложение).
Величину расстояния между электродами необходимо отрегулировать таким образом, чтобы получить напряженность электрополя , ( ) достаточную для создания эффекта электроподавления пламени заданной интенсивности:
|
(1) |
где – напряжение между электродами, ( ).
Визуально, при проведении экспериментальных исследований, эффект электроподавления наблюдался в виде быстрых динамичных срывов частей факела пламени (см рисунок 7 в приложении) в сторону положительно заряженного электрода при скачкообразном затухании (за ) всего очага возгорания.( см. рисунок №5 приложении)
Также важно отметить, что во время проведения экспериментов по электротушению вместе с пламенем полностью пропадал и дым, являющийся продуктом неполного сгорания углеводородных веществ.
Для проведения экспериментальных исследований, апробации принципа работы и снятия необходимых характеристик разработанной ЭОУ, на базе лабораторий кафедры «МТ-13» МГТУ им. Н.Э. Баумана, был создан ее лабораторный образец – макет (рисунок 8), где в качестве источника горения с различной интенсивностью столба пламени использовалась спиртовая горелка (спиртовка) с плавной регулировкой фитиля, а в качестве контрольного устройства, измеряющего напряжение между электродами – электростатический киловольтметр мод. С196.
Используя методы подобия [2 и др.] и рассматривая фронт пламени любого пожара, как бесконечное число таких горящих спиртовок (см.рисунок 9 приложение), экспериментальным путем была установлена зависимость высоковольтного напряжения электротушения от величины при тушении пламени с различной интенсивностью горения (см.рисунок 10 приложение).
Так, из графика 10 видно, что для быстрого и надежного тушения пламени с основными параметрами интенсивности горения – высотой факела и площадью возгорания (I-ый участок интенсивного горения), наиболее рациональным диапазоном использования напряжения электротушения, наводимого между высоковольтными электродами, является при высоте между ними , что соответствует создаваемой напряженности электрополя подавления .
Соответственно, для эффективного тушения более интенсивного столба пламени (II-ой и III-ий участки интенсивного горения), необходимо создавать еще большую напряженность электрополя пламяподавления за счет повышения напряжения между электродами (см рисунок 10 приложение).
При использовании ЭОУ на практике в качестве высоковольтных электродов может быть использована жаропрочная металлическая мелкоячеистая сетка с площадью, превышающей площадь возгорания, что не является экономически целесообразным (электротушение больших по площади торфяных болот, лесов и т. д.).
В этом случае, наилучший эффект от использования разработанной ЭОУ может быть достигнут не в непосредственном тушении пожаров, а в их предотвращении (профилактике), т. е. создании систем электроограждений (пожарозащиты) городских и промышленных объектов.
Так, установив датчики пожарной сигнализации (дымовые, тепловые, датчики пламени и др.) по периметру важного объекта, например, дома на некотором расстоянии перед высоковольтными электродами, можно создать автоматизированную систему электрополевого ограждения (АСЭПО).
Принцип работы такой системы довольно прост и состоит в следующем. При приближении фронта пламени пожара к участку дома, установленные по его периметру датчики, посылают сигналы в систему АСЭПО на включение напряжения и создания электромагнитного поля (“экрана”) между высоковольтными электродами.
Полученный таким образом электромагнитный ”невидимый” экран будет являться мощной преградой на пути пламени пожара – огонь будет обходить, обтекать защитный экран, но не сможет пройти сквозь него.
В качестве высоковольтных электродов системы АСЭПО целесообразно использовать вышеуказанную металлическую сетку (ажурный или сетчатый каркас), с шириной, например, (см. рисунок 11приложение), один из которых (отрицательно заряженный электрод) должен находиться на подложке, а другой (положительно заряженный) должен находиться над первым (под козырьком) на некотором настроенном расстоянии .
Так как высота факела пламени пожара ( ) может быть любой, а межэлектродное расстояние будет оставаться постоянным, то конструкция электродного узла АСЭПО (см.рисунок 12 приложение) должна обеспечивать принудительный ”увод” пламени “под козырек” и его направление (наведение) на электромагнитный экран ( ).
Таким образом, с помощью предложенного нового способа пожаротушения и разработанной на его основе простейшей конструкции ЭОУ появляется возможность быстрого, эффективного и надежного устранения и предотвращения возгораний с различной интенсивностью без использования каких-либо пламегасящих веществ.
ВЫВОДЫ
Полученные результаты проведенных исследований позволяют сделать результирующий вывод о достижении поставленной цели настоящей работы, а именно, был разработан наиболее простой и эффективный способ пожаротушения (не имеющий мировых аналогов) и устройство для его реализации.
Предлагаемый способ электротушения (основанный на электроугнетении факела пламени) позволяет быстро, эффективно и надежно, без проявления побочных эффектов предотвращать любое возгорание с любой интенсивностью горения, а разработанная электроогневая установка обеспечивает бесконтактное тушение пламени без использования каких-либо пламегасящих веществ (вода, пена, порошок и др.).
На основе нового способа пожаротушения также была разработана система АСЭПО, применение которой позволит создать “электрозащиту” от возгораний различных объектов (дома, объекты городского и стратегического назначения и др.).
Обобщая вышеизложенное можно сказать, что в настоящей работе предложена принципиально новая технология пожаротушения без использования каких-либо пламегасящих веществ (безрасходное пожаротушение), обеспечивающая высокую скорость тушения любого возгорания с любой интенсивностью (и дымоподавлением) и предназначенная, как для использования на обширных площадях возгораний (торфяные болота, леса и др.), так и для частного применения (система АСЭПО).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1] Дудышев В.Д. Новая электроогневая технология экологически чистого горения // Новая энергетика. – 2003, №1, с. 33-38.
[2] Седов Л.И. Методы подобия – М.: Машиностроение, изд. 8-е, доп. и перераб. – 1977, 440 с. илл.
[3] Фарадей М. История свечи: Пер. с англ. / Под ред. Б.В. Новожилова. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. – 1980, 128 с. илл.
[4] Интернет ресурс: http://www.0-1.ru
[5] Интернет ресурс: http://fwnews.ru/interesnoe/rezhim-chs-vveden-iz-za-zhary-pochti-v-30-subektax-i-600-rajonax-rf
[6] Интернет ресурс: http://varjag-2007.livejournal.com/1884542.html
[7] Интернет ресурсы: http://www.fireman.ru/bd/sd/vzriv2.htm
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рисунок 5 – Принципиальная электрическая схема ЭОУ.
Рисунок 6 – Схема настройки (регулировки) высоковольтных электродов
( и ).
Рисунок 7 – Схема эффекта электроподавления факела пламени.
Рисунок 8 – Общий вид лабораторного образца (макета) ЭОУ.
Рисунок 9 – Схематичное представление фронта пламени пожара
в виде бесконечного числа горящих спиртовок.
Рисунок 10 – Экспериментальная зависимость высоковольтного напряжения
от расстояния между электродами при тушении пламени с различной
интенсивностью горения ( и ).
Рисунок 11 – Схема расположения высоковольтных электродов
(под козырьком и на подложке).
Рисунок 12 – Эскиз “увода” пламени пожара в межэлектродное пространство.