Підвищення ефективності гасіння низових лісових пожеж шляхом використання бінарних вогнегасних систем з роздільним подаванням

Abstract

Підвищення ефективності гасіння низових лісових пожеж шляхом використання бінарних вогнегасних систем з роздільним подаванням. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – пожежна безпека. Національний університет цивільного захисту України, Харків, 2020. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науковоприкладної задачі у сфері пожежної безпеки – підвищенню ефективності гасіння низових лісових пожеж шляхом використання бінарних вогнегасних систем з роздільним подаванням компонентів гелеутворюючих складів (ГУС). Лісові пожежі часто трапляються в разі довгого за часом засушливого періоду. Великі лісові пожежі є одним із найбільш важких для гасіння видів пожеж. Такі пожежі можуть продовжуватися багато днів і навидь місяців. Найбільш складними для гасіння є верхові лісові пожежі. Але такі пожежі в більшості випадків починаються з низових пожеж. Тому швидке гасіння низових пожеж може запобігти переходу низової пожежі у верхову. Існуючі засоби в багатьох випадках не дозволяють успішно боротися з низовими лісовими пожежами навіть в разі залучення великих сил і засобів пожежогасіння. Основними методами гасіння низових лісових пожеж є наступні: нахльостування або закидання ґрунтом крайки лісової пожежі; гасіння водою або розчинами хімікатів; прокладання мінералізованих смуг; відпал лісових горючих матеріалів або метод пуску зустрічного вогню; гасіння із залученням авіації; штучне викликання опадів; гасіння з використанням вибухових речовин. Різні способи гасіння лісових пожеж мають свої переваги і недоліки. Деякі з них не вимагають використання техніки, але вимагають залучення великих людських ресурсів. Деякі не вимагають завезення вогнегасних речовин, інші вимагають доставки великої кількості вогнегасних речовин. На основі аналізу основних механізмів припинення горіння та інших факторів, що впливають на ефективність гасіння в роботі для гасіння низових 3 лісових пожеж обґрунтовано використання ГУС як засобу створення загороджувальних смуг. Гелеві шари мають високі вогнезахисні властивості завдяки наявності в їх складі води – речовини з аномально високими охолоджуючими властивостями. Для зменшення втрат води за рахунок випарування її з гелю під дією погодних факторів запропоновано введення до складу ГУС високогігроскопічної речовини – кальцій хлориду. Одним з недоліків гелевих шарів як засобу створення загороджувальної смуги є можливість розповсюдження полум’я під шаром гелю. Таке явище спостерігалось в разі товщини шару лісової підстілки більше 3 см. Воно обумовлено низькою проникаючою здатністю гелю. Для подолання такого недоліку було запропоновано два підходи – використання піноутворюючих систем (ПУС) і застосування роздільно–послідовного способу подавання компонентів ГУС. В обох запропонованих методах вдалось забезпечити проникнення вогнегасної речовини на всю глибину лісової підстілки, що унеможливлювало розповсюдження полум’я через загороджувальну смугу. В ході лабораторних експериментів з використанням модельних вогнищ пожежі [159] малих розмірів було порівняно вогнезахисні властивості по відношенню до матеріалу хвойної лісової підстілки двох видів бінарних системи – ГУС і ПУС. В якості ГУС було використано 4 системи: Na2O·2,7SiO2 + (NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4); Na2O·2,7SiO2 + NH4HCO3; Na2O·2,7SiO2 + CaCl2 і Na2O·2,7SiO2 + Al2(SO4)3. В якості ПУС було використано 6 систем: NaHCO3 + Al2(SO4)3; NaНСО3 + (NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4); NaHCO3 + Fe2(SO4)3; NH4HCO3 + Al2(SO4)3; NH4HCO3 + (NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4); NH4HCO3 + Fe2(SO4)3. Порівняння таких систем дозволило зробити таки висновки: – ГУС і ПУС можуть забезпечити проникнення вогнегасної речовини вглиб лісової підстілки в разі використання роздільно-послідовного способу подавання компонентів; – ГУС і ПУС мають близькі вогнезахисні властивості по відношенню до хвойної лісової підстілки при малому часі сушіння; – при часі сушіння більше 30 хвилин ГУС мають суттєву перевагу по 4 вогнезахисним властивостям по зрівнянні з ПУС. На цій основі для подальших досліджень було обрано ГУС СаCl2 + Na2O·2,7SiO2. С використанням математичних методів планування експерименту була встановлена залежність часу займання обробленого ГУС матеріалу хвойної лісової підстілки (Тв) від концентрації Na2O·2,7SiO2 (х1), концентрації СаCl2 (х2), питомої поверхневої витрати ГУС (х3) і часу сушіння (х4), яка в кодованих координатах має вигляд: 2 4 2 3 2 1 3 1 4 2 4 1 в 1 2 3 4 1 2 0,603х х 0,769х х 0,396х х 0,36х 0,966х 0,46х T 3,922 1,729х 0,762х 1,38х 0,48х 0,79х х                  . Максимальне значення Тв було визначено шляхом покрокового перебору за усіма чотирма координатами. Воно склало 30 хв. Також було встановлено, що оптимальним за вогнезахисними властивостями є ГУС СаCl2 (35 %) + Na2O ·2,7SiO2 (5 %). Для цієї ГУС було проведено дослідження її вогнезахисних властивостей по відношенню до модельних вогнищ низової лісової пожежі розміром ~1 м при різних швидкостях повітряних потоків та кутах нахилу поверхні. Ці дослідження дозволили встановити, що за питомої витрати ГУС СаCl2 (35 %) + Na2O·2,7SiO2 (5 %) рівної 0,7 г/см2 при ширині смуги 20 см достатньо для створення протипожежного бар’єру на час до 4 годин при куті нахилу поверхні до горизонту до 40º. Також було встановлено, що для запобігання займання ділянки лісної підстілки поза зоною основної вогнезахисної полоси під одночасним впливом теплового випромінювання, фрагментів тліючих гілок та іскор потрібно нанести ГУС СаCl2 (35 %) + Na2O · 2,7SiO2 (5 %) з питомою витратою 0,2 г/см2 . Результати одержані на модельних вогнищ низової лісової пожежі було підтверджено результатами натурних експериментів. Загальним висновком з досліджень вогнезахисних властивостей ГУС СаCl2 (35 %) + Na2O·2,7SiO2 (5 %) є достатність питомої витрати її рівної 0,7 г/см2 для забезпечили зупинення фронту низової пожежі протягом до 4 годин після нанесення шару гелю роздільно 5 послідовним методом. Для запобігання займання ділянки лісової підстілки поза зоною основної вогнезахисної полоси під одночасним впливом теплового випромінювання та іскор потрібно нанести ГУС СаCl2 (35 %) + Na2O·2,7SiO2 (5 %) з питомою витратою 0,2 г/см2 з використанням роздільно – одночасного подавання компонентів ГУС. Саме цю ГУС запропоновано для створення вогнезахисного бар’єру для припинення розповсюдження низової лісової пожежі середньої та високої інтенсивності. Нанесення гелеутворюючої композиції на лісовий горючий матеріал було запропоновано проводити нерівномірно. Смуга, яку передбачається створювати, розділяється на дві по різному оброблених ділянки. Частина смуги обробляється на всю глибину підстилки з питомою витратою 0,7 г/см2 при ширині смуги 20 см, яка забезпечує неможливість поширення горіння в шарах лісової підстилки, під поверхневим шаром гелю. Для цього застосовується роздільнопослідовний спосіб подавання компонентів ГУС. Друга частина смуги створюється способом роздільно-одночасного подавання компонентів ГУС з питомою витратою 0,2 г/см2 . Ширина такої смуги буде визначатися висотою полум’я. У цьому випадку на поверхні підстилки утворюється шар гелю, який захищає підстилку тільки від вторинних проявів горіння (іскор, теплового випромінювання та ін.) Для створення такої смуги за допомогою одного рухомого засобу потрібно забезпечити подавання компонентів ГУС с такою інтенсивністю, яка забезпечують відповідні питомі поверхневі витрати. Виходячи, з прийнятих параметрів вогнезахисної смуги та висоти полум’я було отримано математичні залежності, які пов’язують ці параметри зі швидкістю руху пересувного засобу: де υ – швидкість руху пересувного засобу, Q – витрата ГУС на засобі подавання, h – ширина вогнезахисної смуги, l – довжина вогнезахисної смуги, Ф – поверхнева питома витрата ВР, τ – час створення вогнезахисної смуги. Для організації подавання компонентів ГУС було сконструйовано та виготовлено мобільний пересувний засіб для транспортування і подавання ; h      ; Q  h         6 компонентів ГУС на лісову підстілку з регульованою витратою компонентів, який забезпечує змінну ширину захисної смуги. Проведено розрахунки параметрів подавання ГУС за допомогою пересувних засобів. Показано, що для створення вогнезахисної смуги довжиною 1000 м в разі висоти полум’я 2 м потрібно 9,1 т компонентів ГУС, з яких в перерахунку на чисті речовини приходиться 227,5 кг рідкого скла, 1592,5 кг кальцій хлориду та 7280 кг води. Розроблено практичні рекомендації щодо застосування ГУС для гасіння низових лісових пожеж. Показано, що запропонована вогнегасна система вразі створення вогнезахисної смуги має переваги: – в порівнянні з водою – за масою ВР, за часом працездатності, а в разі великої відстані до джерела води забезпечує зниження загальних фінансових витрат на гасіння низової лісової пожежі високої інтенсивності; – в порівнянні з використанням важкої землерийної техніки за часом створення захисної смуги та відсутністю обмежень щодо рельєфу місцевості, виду ґрунту та характер деревостою; – в порівнянні з використанням водних розчинів хімікатів за економічними та екологічними параметрами; – у порівнянні з відпалом – зменьшенням втрат лісових масивів; – у порівнянні з авіаційними методами – великим зменшенням фінансових витрат та відсутністю потреб залучання додаткових сил та засобів для підтримки гасіння на землі; Таким чином була вирішена актуальна науково - практична задача у сфері пожежної безпеки – підвищення ефективності гасіння низових лісових пожеж за рахунок використання бінарних вогнегасних систем з роздільно – послідовним та роздільно – одночасним подаванням компонентів ГУС. Запропонований спосіб гасінні має перевагу перед існуючими методами більш високою ефективністю, економічністю та екологічними параметрами.