Огнетушащая способность воды

Вода – одно из самых древних, дешевых и эффективных огнетушащих веществ, используемых для пожаротушения. Широкое распространение воды, ее доступность и уникальные свойства являются основными причинами использования воды для целей пожаротушения. Найти более дешевое, доступное, восполняемое и экологически чистое огнетушащее вещество, чем вода, пока практически невозможно.

Однако использование воды при тушении пожаров имеет один существенный недостаток, который последние годы все чаще вызывает претензии к пожарным – большие проливы воды. Наиболее часто претензии по большим проливам воды возникают при тушении жилых и административных зданий. Связано это с тем, что большинство современных технических средств, которые находятся на вооружении пожарной охраны, позволяют использовать непосредственно на тушение очага пожара только 5-10% поданной на тушение пожара воды. Фактически 90-95% воды при этом можно считать излишне пролитой. Часто ущерб от излишне пролитой воды наносит больший ущерб, чем сам пожар. Поэтому одна из основных проблем,которая стоит сейчас перед наукой и производителями пожарной техники – создание такой техники, которая позволит повысить эффективность использования воды при тушении пожаров, уменьшить проливы воды.

При решении этой проблемы большинство отечественных и зарубежных производителей пожарной техники пошли по пути улучшения огнетушащих свойств воды за счет применения на пожарных автомобилях насосов высокого давления (более 10 атмосфер) и последующего получения за счет высокого давления воды струй мелкого распыла. Струи воды мелкого распыла, как правило, называют струями тонкораспыленной воды – сокращенно ТРВ.

Все большее количество пожарных автоцистерн оснащаются насосами высокого давления моделей НЦПВ-4/400, НЦПВ-20/200 или НЦПК-40/100-4/400. Разработаны и производятся пожарные автомобили первой помощи, успех использования которых целиком зависит от применения при тушении пожара ТРВ, так как эти автомобили вывозят всего 500-800 литров воды. При установке насосов высокого давления струи ТРВ получают при использовании специальных стволов СРВД-2/300 поставляемых в комплекте с рукавными катушками моделей СРВДК-2/400-60 и СРВДК-2/400-90.

Применение струй ТРВ позволяет сократить расход воды на тушение пожара и, безусловно, является перспективным направлением совершенствования пожарной техники. Однако помимо очевидных преимуществ по сравнению с компактными водяными струями использование струй ТРВ имеет ряд недостатков, которые были выявлены при эксплуатации пожарных автомобилей с насосами высокого давления. Перечислим только наиболее существенные.

Во-первых, меньшая длина напорных рукавных линий и количество пожарных стволов для подачи ТРВ. Меньшая, по сравнению с традиционными автоцистернами, оборудованными насосами нормального давления (например, НЦПН-40/100), длина рукавных линий связана с применением для насосов высокого давления рукавов меньшего диаметра, имеющих большее гидравлическое сопротивление (потери напора). Меньшая длина напорных рукавных линий связана также с тем, что для получения ТРВ перед пожарным стволом СРВД-2/300 необходимо обеспечить давление не менее 30 атм. (Справка. Для стволов с компактными водяными струями это давление, как правило, составляет 4-5 атм.) Поэтому рукавные катушки СРВДК-2/400-60 и СРВДК-2/400-90 имеют длину рукавов соответственно 60 и 90 м. Меньшее количество пожарных стволов объясняется просто – при подаче насоса 4 л/с можно обеспечить полноценную работу только двух стволов СРВД-2/300 с расходом 2 л/с.

Во-вторых, стволы для подачи ТРВ склонны к засору проточных частей при использовании загрязненной воды из старых, проржавевших и загрязненных трубопроводов или открытых водоисточников. Склонность стволов для подачи ТРВ к засору объясняется малой площадью проточных каналов.

В-третьих, при отрицательных температурах (зимой) рукава и стволы для подачи ТРВ быстро промерзают, особенно при кратковременном перекрытии стволов.

В-четвертых, для подачи в очаг пожара струй ТРВ с размером капель 100-150 мкм необходимо обеспечить большую скорость струи – от 100 до 200 м/с. Большая скорость струи ТРВ приводит к интенсивной подаче в очаг пожара инжектируемого струей воздуха, который содержит кислород необходимый для горения. Поэтому при недостаточной интенсивности или подаче струи ТРВ мимо очага пожара может произойти не тушение очага, а увеличение интенсивности его горения.

В-пятых, не сбылись надежды на образование за счет подачи ТРВ устойчивого, всепроникающего обеспечивающего объемное пожаротушение «водяного тумана» (Примечание: используется также термин объемно-локальное пожаротушение). Капли струи ТРВ полученные за счет механического дробления воды или быстро сливаются, образуя более крупные капли, или оседают, при попадании на стены или другие препятствия стекают по ним не образовывая «водяного тумана» с необходимой для прекращения горения концентрацией. По данным экспериментов, проведенных учеными ВНИИПО и МАИ, даже при размере капель ТРВ, полученных за счет механического дробления воды, менее 30 мкм (капли воды с такими диаметрами витают в воздухе) не удается обеспечить устойчивого «водяного тумана».

Необходимо отметить, что для получения «водяного тумана» в зарубежных и отечественных установках используются либо большое давление (например, в установке «Кобра» используется давление 300-400 атм.), либо газодинамический способ дробления капель и химически подготовленная вода, очищенная от механических примесей и растворимых в воде солей (например, в ранцевых огнетушителях ТРВ «Игла»), либо специально сконструированные распылители. Но даже при использовании специально подготовленной воды (фактически дистиллированной) распылители установок высокого давления имеют очень малые площади сечений проточных каналов и поэтому склонны к засорению или замерзанию в зимнее время.

Благодаря исследованиям, проведенным учеными Академии совместно со специалистами ООО “Аква-ПиРо-Альянс”, доказано, что возможно и другое, принципиально новое техническое решение по улучшению огнетушащих свойств воды, которое не имеет перечисленных недостатков получения ТРВ - улучшение огнетушащих свойств воды за счет её температурной активации. При реализации этого направления удается одновременно добиться как улучшения текучести воды без использования добавок, так и уменьшения размера капель воды до 1-5 мкм без увеличения давления перед пожарным стволом более 12-16 атм. и без использования пожарных стволов со сложными, дорогостоящими и профилированными насадками с минимальной площадью сечений проточных каналов (диаметр проточных частей стволов для подачи ТАВ составляет 4,8-7 мм).

Термин «температурно-активированная вода» (ТАВ) возник из-за путаницы, которая каждый раз возникала при обсуждении новой технологии пожаротушения, разработанной для использования ТАВ. К 2005 году у большинства специалистов сложилось твердое убеждение в том, что ТАВ получают из перегретой воды. Однако при получении ТАВ вода последовательно проходит следующие состояния (см. рис. 16.18 и табл. 16.7): вода с температурой не более 60ºС и атмосферным давлением - вода с температурой не более 60ºС и давлением от 40 до 100 атм. - : вода с температурой 180-300ºС и давлением от 40 до 100 атм. - вода с температурой 180-300ºС и давлением меньшим равновесного - вода с температурой не более 60ºС и атмосферным давлением.

Физическая сущность получения ТАВ сводится к подаче воды под большим давлением (40-100 атм.) в специально разработанный теплообменник. В теплообменнике вода сначала нагревается до температуры 180-300ºС (такую воду принято называть недогретой), затем по гибким или металлическим трубопроводам подается к специальным стволам-распылителям где и становится метастабильной перегретой водой только на 10^-4 – 10^-9 секунды. После взрывного вскипания образуются струи ТАВ с размером капель 1-10 мкм, которые по своим свойствам близки к теплым туманам и облакам.

Рис. 16.18. Принципиальная схема получения температурно-активированной воды:

1 – 4 участки с водой в различном состоянии

1 – установка пожаротушения ТАВ; 2 – цистерна (бак); 3 – теплообменник; 4 – горелка; 5 – рукав; 6 – ствол; 7- струи ТАВ

Таблица 16.7

№ участка	Температура t, °С	Давление P, МПа	Состояние	Время τ, с
2-8	4 - 60	0,01	вода	1 - 3
8-3	4 - 60	4,0 - 10,0	вода	3 - 5
4-6	180 - 300	2,0 - 8,0	недогретая вода	40 - 60
	180 - 300	0,6 - 1,9	перегретая вода	10-4- 10-9
		0,01	ТАВ	300 - 1800

Физическую сущность получения струй ТАВ можно уяснить при анализе Р-Т и P-V (Рис. 16.19 и Рис.16.20) диаграмм фазовых состояний воды. Для различных модификаций воды характерно существование метастабильных состояний, то есть таких состояний, при которых одна фаза существует в области температур и давлений другой фазы. Такие же метастабильные состояния существуют и для фазовых переходов из одного агрегатного состояния в другое.

На рис. 16.19 схематически изображены области метастабильных состояний при фазовом переходе жидкость-газ (вода-пар). Выше линии 2 находится область, соответствующая переохлажденному пару, а ниже - перегретой жидкости.

При конденсации пара (рис. 16.20) область метастабильного состояния на диаграмме давление Р-Vрасположена между бинодалью, т. е. кривой, соединяющей точки, отвечающие равновесным состояниям при разных температурах Т для жидкости и пара (соответственно точки А и Б), и спинодалью - кривой, соединяющей точки, в которых dР/dV=0(точки В и Г).

Рис. 16.19. Диаграмма метастабильных состояний при фазовом переходе жидкость-газ: 1 - кривая плавления; 2 - кривая испарения; 3 - кривая возгонки; К – критическая точка (Т_к=647,35 ºК, Р_к=218,5 атм.)

Рис. 16.20. Зависимости Р-V при Т_к (1) и меньше Т_к (2): ВГ - лабильные состояния (состоянии неустойчивости не только к сильным, но и к слабым возмущениям); прямая 3 соединяет равновесные состояния жидкости и пара; 4 - бинодаль; 5 -спинодаль; Т_к - критическая точка.

Поэтому новый термин “ТАВ” предлагается использовать для воды, полученной в установке за счет “мгновенного перехода” в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания.

Определение ТАВ: температурно-активированной водой называется паро-капельная смесь, полученная в результате мгновенного перехода (за время 10^-4 – 10^-9 с) недогретой воды в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания

После такого процесса вода приобретает уникальные свойства не только за счет получения капель микронного размера, но и за счет изменения структуры воды. Вода приобретает свойства аналогичные тем, которые в природе вода приобретает в поровых породах при высоких температурах и давлениях [3]. Следовательно, сущность разработанного способа получения уникальных свойств ТАВ, заключается в том, что пресная вода вследствие её нагревания в специальном теплообменнике при определенном сочетании температуры (более 180°С) и давления (более 1,6 МПа) изменяет свои свойства. После возвращения к обычным, атмосферным условиям такая вода находится некоторое время в особом, так называемом метастабильном состоянии, проявляющемся в повышенной растворяющей способности карбонатов, сульфатов, силикатов и других соединений, в способности длительно удерживать в своем составе аномальные количества растворенного вещества (больше в 300…500 раз) и значительно повышать кислотность. Такая вода назвается активированной, а сам процесс — температурной активацией.*

При подаче ТАВ через стволы-распылители, в которых давление воды быстро (за несколько миллисекунд) уменьшается до атмосферного происходит почти мгновенное вскипание воды. Такое вскипание назвается взрывным вскипанием.** В результате взрывного вскипания одна часть воды переходит в переохлажденный пар (до 30%), а другая часть дробится на капли диаметром 1,0-10,0 мкм и в результате формируется струя паро-воздушно-капельной смеси – струя ТАВ. Так как диаметр большинства капель составляет 1,0-5,0 мкм, то струи ТАВ витают в воздухе и многими наблюдателями ошибочно воспринимаются как пар. Струи ТАВ долго не осаждаются (по экспериментальным данным не менее 20 минут), огибают без

____________________

* Летников Ф.А. и др. Активированная вода. – Новосибирск: Наука, 1976.

**Скрипов В.П. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. Справочник. Атомиздат, 1980. – 208 с.

осаждения препятствия, не оседают на вертикальных и горизонтальных плоскостях, даже при подаче на горизонтальные поверхности стремятся вверх.

Эксперименты, проведенные в 2007 году подтвердили устойчивость струй ТАВ и возможность заполнения больших объемов водяным туманом. При подаче 1,8 кг/с ТАВ в объем 3200 м³ 100% влажности удалось достичь через три минуты.

Рис. 16.21. Временной ход относительной влажности (Р %) в большой аэрозольной камере ГУ «НПО «Тайфун»: помещение объемом 3200 куб. м насыщается влагой за 3 мин

Эксперименты подтвердили, что струи ТАВ обладают уникальными свойствами, которые позволяют реализовать при тушении пожаров принципиально новые способы пожаротушения. Эти способы пожаротушения не могут быть одновременно реализованы ни одним из известных способов.