Influence of water mist drop size on efficiency of Fire suppression and cooling

Тип работы:
Реферат
Предмет:
История. Исторические науки


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

st. kpt. mgr inz. Pawe! ZBROZEK bryg. mgr inz. Jerzy PRASULA
Zespol Laboratoriow Technicznego Wyposazenia Strazy Pozarnej i Technicznych Zabezpieczen Przeciwpozarowych CNBOP
Konsultacja:
st. kpt. mgr inz. Daniel MALOZI^C
Zespol Laboratoriow Badan Chemicznych i Pozarowych CNBOP
WPLYW WIELKOSCI SREDNIC KROPLI MGLY WODNEJ NA EFEKTYWNOSC TLUMIENIA POZAROW
I CHLODZENIE
INFLUENCE OF WATER MIST DROP SIZE ON EFFICIENCY OF FIRE SUPPRESSION AND COOLING
Streszczenie
W artykule przedstawiono ogolne informacje dotycz^ce wlasciwosci i parametrow mgly wodnej istotne z uwagi na zastosowania gasnicze. Wyjasniono mechanizmy gasnicze mgly wodnej i czynniki sprzyjaj^ce efektywnosci gasniczej. Poddano analizie wplyw wielkosci srednic kropel w mgle wodnej z uwagi na tlumienie pozarow i chlodzenie gazow w gaszonej przestrzeni. Podano optymalne wartosci srednic kropel w mgle wodnej w odniesieniu do celow gasniczych, w szczegolnosci w obiektach zabytko^ch.
Summary
This article describes general information concerning characteristics and parameters of water mist important for extinguishing applies. Extinguishing mechanisms and factors favourable for the efficiency of extinguishing process were explained. Influence of water mist drop size on the efficiency of fire suppression and cooling of gases in extinguishing space was analyzed. Optimal values of water mist drop diameters in relation to extinguishing purposes were given, particularly in heritage buildings.
Wstgp
W Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej w Jozefowie realizowany jest projekt rozwojowy finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyzszego pt. Badania nad opracowaniem dwufunkcyjnego urzqdzenia gasniczego mglowego zapobiegajqcego wystqpieniu zjawiska rozgorzenia w obiektach zabytkowych i przyczyniajqcego sig do podniesienia bezpieczenstwa — temat nr 4185/BC/BS/MNiSW/2008 (O R00 0040 04). Celem prowadzonych prac jest opracowanie urz^dzenia gasniczego mglowego, ktore spelniloby dwie funkcje: urz^dzenia gasniczego dzialaj^cego automatycznie oraz funkcje typowej gasnicy. Zmierza si? do opracowania takiego urz^dzenia gasniczego, ktore przy dose wysokiej niezawodnosci i skutecznosci byloby rowniez stosunkowo tanie w produkcji, montazu i eksploatacji. Uzasadnieniem takiego podejscia jest fakt, ze obiekty dziedzictwa kulturowego w Polsce, w tym szczegolnie drewniane zabytkowe koscioly i kaplice nie s^ wyposazone w stale urz^dzenia gasnicze. Konsekwencj takiego staniu rzeczy s^ trudne do opanowania pozary tych obiektow. Cz? sto obiekty te wyposazone s^ w system sygnalizacji alarmu pozaru, jednak szybko rozwijaj^cy si? pozar w takich obiektach uniemozliwia skuteczne dzialanie gasnicze strazy pozarnej b? d^cej na miejscu w ci^gu kilkunastu minut od chwili zaalarmowania przez system o pozarze. Rozwi^zaniem takiego stanu rzeczy jest zastosowanie urz^dzen gasniczych, ktore, albo ugasilyby pozar, albo przynajmniej znacznie spowolnilyby jego rozwoj — tak, aby straz pozarna byla w stanie rozpocz^e akcj? gasnicze przed faz^ rozgorzenia.
Jednym z istotnych aspektow badan nad opracowywanym dwufunkcyjnym urz^dzeniem gasniczym mglowym jest okreslenie optymalnych wielkosci srednic kropli mgly wodnej. Na lamach niniejszego artykulu przedstawiono rozwazania dotycz^ce optymalnych wielkosci srednic kropli mgly wodnej z uwagi na efektywnose tlumienia pozarow i chlodzenie, w szczegolnosci w odniesieniu do zastosowan w obiektach drewnianych.
1. Teoretyczne podstawy rozpylania cieczy
W ochronie przeciwpozarowej najcz? sciej rozpylan^. cieczy jest woda. Dlatego przypomnienie wlasnosci cieczy, a szczegolnie wody, b? dzie bardzo pomocne w przedstawieniu podstaw rozpylania cieczy. Z kolei zrozumienie podstawowych praw rz^dz^cych rozpylaniem cieczy jest niezb? dne do przedstawienia metod wytwarzania silnie rozpylonych strumieni wodnych i dalej, wykorzystania ich do celow gasniczych. Teoretyczne
podstawy rozpylania cieczy opracowano z wykorzystaniem glownie publikacji [1] Orzechowski Z., Prywer J., Rozpylanie cieczy, II wydanie, WNT Warszawa 1991.
1.1. Wlasciwosci i parametry cieczy maj^ce wplyw na proces rozpylania
Gestose cieczy p jest to stosunek masy m (kg) do obj? tosci V (m) w okreslonej temperaturze i cisnieniu:
m ,
P = - (1)
V
W przypadku wody w temperaturze 4 OC i pod cisnieniem 101 325 Pa g? stosc ta wynosi 999,97 kg/m3. 2]
Lepkose jest to zdolnosc plynu do przenoszenia napr? zen stycznych przy wzajemnym poruszaniu si? warstw plynu. W uj? ciu matematycznym jest to wspolczynnik proporcjonalnosci we wzorze Newtona na napr? zenia styczne t wyst? puj^ce w przeplywaj^cym plynie:
dv
* = -«-r (2)
an
st^d wspolczynnik lepkosci:
dv
m = -t- (3)
dn
gdzie: / - lepkosci dynamiczna (Pa-s) lub (kg/m-s)
— - gradient pr? dkosci dv na kierunku dn dn
Lepkosc cieczy w odniesieniu do cieczy jednorodnych, do ktorych mozemy zaliczyc wod?, zalezy:
• od wlasciwosci plynu w zakresie przeplywow laminarnych (przeplywy wolne),
• od ruchu cieczy zakresie przeplywow turbulentnych (przeplywy szybkie).
Lepkosc dynamiczna czystej wody w temperaturze 20 OC w zakresie przeplywow laminarnych wynosi 1004×10−6 Pa-s. [2]
2
Stosowane jest rowniez poj? cie lepkosci kinematycznej u (m2/s)
u = m (4)
P
2
Napigcie powierzchniowe o (J/m) na granicy fazy cieklej i gazowej wynosi:
a= dEi (5)
dA
gdzie: dEA — energia powierzchniowa, czyli energia w (J) zuzyta na zwi? kszenie powierzchni cieczy o wartosc dA.
Napi? cie powierzchniowe czystej wody w powietrzu w temperaturze 20 OC wynosi 72,58×10−3 N/m. 2]
Temperatura wody jest istotnym parametrem wody wplywaj^cym na rozpylanie. Wraz z jej wzrostem zmniejsza napi? cie powierzchniowe wody, co przyczynia si? do lepszego rozdrobnienia. Temperatura wody stosowanej do rozpylania w urz^dzeniach gasniczych zwykle nie odbiega od temperatury otaczaj^cego srodowiska. Dodatkow do wody uzywa si? bardzo rzadko i tylko w uzasadnionych przypadkach. Najcz? sciej s^. to srodki powierzchniowo czynne zmniejszaj^ce napi? cie powierzchniowe wody. Poza tym mog^. byc zastosowane sole obnizaj^ce temperatur? zamarzania i jednoczesnie poprawiaj^ce skutecznosc gasnicz^. — np. chlorki metali alkaicznych (NaCl, CaCl2, MgCl2) i w? glany.
Wplyw okreslonych wlasciwosci cieczy na jej podatnosc na rozpylenie (uzyskiwane wielkosci kropli) — ogolne zaleznosci:
• ciecze o wi? kszych g? stosciach tworz^. mniej sze krople, [ 1 ]
• ciecze o wi? kszej lepkosci tworz^. wi? ksze krople, [16]
• ciecze o wi? kszym napi? ciu powierzchniowym tworz^. wi? ksze krople. [1]
Dodanie do wody odpowiednich modyfikatorow powoduj^cych zmniejszenie napi? cia powierzchniowego zwi? ksza stopien rozdrobnienia strumienia wodnego. Podniesienie temperatury wody powoduje rowniez zmniejszenie napi? cia powierzchniowego i zmniejszenie lepkosci, co sprzyja jej podatnosci na rozpylenie na mniejsze krople. Klasycznym przypadkiem wykorzystania wysokiej temperatury do wspomagania rozpylania
cieczy jest rozpylanie cieczy przegrzanej. Sposob ten, ze wzglcdu na bezpieczenstwo, nie jest polecany w zabezpieczeniach przeciwpozarowych. 1.2. Rozpylanie cieczy
Rozpylanie cieczy jest to rozpad cieczy na krople w wyniku dostarczania w odpowiedni sposob energii mechanicznej. Urz^dzenie sluz^ce do rozpylania cieczy nazywamy w ogolnym zastosowaniu rozpylaczem. Spotykana jest rowniez nazwa atomizer. Odpowiednio zbudowana dysza (w znaczeniu: koncowka przewodu hydraulicznego sluz^ca do formowania strumienia cieczy) moze pelnic funkcjc rozpylacza i bywa nazywana dyszq rozpylajqcq.
W ochronie przeciwpozarowej rozpylacze stosuje sic glownie do rozpylania wody. W zaleznosci od przeznaczenia rozpylacze te nosz^. rozne nazwy. S3. to przede wszystkim:
• prqdownice — w odniesieniu do rozpylaczy wodnych obslugiwanych rccznie a sluz^cych podawaniu rozpylonych i zwartych strumieni wodnych np. z hydrantu, z linii gasniczej.
• tryskacze i zraszacze — w odniesieniu do rozpylaczy wodnych w stalych urz^dzeniach gasniczych tryskaczowych i zraszaczowych.
• kurtyny wodne — do wytwarzania zaslon wodnych maj^cych na celu zmniejszenie sily promieniowania cieplnego pozaru lub wychwycenia szkodliwych substancji z powietrza.
• dysze mglowe — dysze umozliwiaj^ce rozpylenie wody do wysokiego stopnia rozpylenia.
• glowice mglowe — zespol kilku (kilkunastu) dysz sluz^cy do rozpylania wody do wysokiego stopnia rozpylenia- glowice mglowe s^. bardziej wydajne od dysz mglowych z uwagi na ilosc rozpylanej wody.
Formy rozpadu strumienia cieczy (mechanizmy rozpylania cieczy)
Mechanizm rozpylania cieczy nalezy rozpatrzyc na trzech nastcpuj^cych formach strumieni cieczy:
• strug cieczy,
• blon cieczy,
• kropli rozpadajcych sic wtornie na mniej sze krople.
Charakter rozpadu strugi cieczy zalezy od pr? dkosci wyplywu strugi z dyszy (ryc. 1). [1]
a& gt- b) C)
Ryc. 1. Rozpad cylindrycznej strugi cieczy pod wplywem sil aerodynamicznych [1]:
a. powodowanych zakloceniami symetrycznymi,
b. powodowanych zakloceniami asymetrycznymi,
c. powodowanych turbul encj
Najogolniej ujmuj^c, rozroznia si? trzy charakterystyczne formy rozpadu, ktore zachodz^. pod wplywem zaklocen symetrycznych, asymetrycznych lub powodowanych turbulenj Te formy rozpadu dotycz^. pr? dkosci przeplywu rz? du 1 m/s, 10 m/s i powyzej kilkudziesi? ciu m/s, wi? c odpowiednio wzrastaj^cego udzialu sil aerodynamicznych.
Przebieg rozpadu blony cieczy, tak jak przebieg rozpadu strugi, zalezy glownie od pr? dkosci wyplywu cieczy z rozpylacza. Zjawiskiem wspolnym dla kazdego z tych przebiegow jest utrata statecznosci strug, bowiem blona rozpada si? na strugi, a nast? pnie na krople. Mozna wyodr? bnic trzy charakterystyczne przebiegi rozpadu blon w zaleznosci od pr? dkosci wyplywu cieczy z rozpylacza wirowego (ryc. 2).
Ryc. 2. Powstawanie kropli w rozpylaczu wirowym a) rozpad blony b) rozpad blony wskutek c) rozpylanie
wskutek perforacji zjawisk falowych cieczy [1]
Przy pr? dkosci do kilkunastu metrow na sekund? (ryc. 2a) blona zmniejsza swojq grubosc od kierunku wyplywu i w okreslonym momencie zaczyna p? kac tworzqc otwory -perforacje. Przy wi? kszych pr? dkosciach wyplywu ujawniajq si? coraz wyrazniej zjawiska falowe powodujqc charakterystyczny rozpad blony (ryc. 2b). Przy dalszym wzroscie pr? dkosci wyplywu (powyzej kilkudziesi? ciu m/s) maleje dlugosc fal, a rosnie ich amplituda powodujqc tym samym wlasciwe rozpylanie (ryc. 2c). 1]
Wtorny rozpad kropli nast? puje w skutek dzialania sily aerodynamicznej, czyli wtedy, gdy krople dostajq si? do obszaru, w ktorym panuje zwi? kszone cisnienie dynamiczne gazu (pgw /2). Cisnienie dynamiczne rosnie wraz ze wzrostem g? stosci gazu (pg), a przede wszystkim ze wzrostem wzgl? dnej pr? dkosci (w) miedzy gazem a kroplq. Wskutek oplywu kropli przez gaz tworzy si? na jej powierzchni rozklad cisnien, ktory prowadzi do deformacji kropli. W przypadku cieczy o malej lepkosci, jedynq silq. przeciwdzialajqcq deformacji kropli jest sila napi? cia powierzchniowego.
Jak wczesniej wspomniano, na krople dzialajq dwie glowne sily, tj. sila aerodynamiczna i sila napi? cia powierzchniowego. Gdy pierwsza z tych sil jest wi? kszq od drugiej, wowczas kropla deformuje si? i rozpada. Warunek rownowagi sil jest nast? pujqcy:
pD2 P"w2
4
2
¦ pDs
(6)
c
st^d otrzymuje sic:
pgw2 D 8
Wekr = ^-= - (7)
s Cx
gdzie: cx — wspolczynnik oporu kropli, Wekr — krytyczna liczba Webera, w — prcdkosc kropli wzglcdem gazu, о — napiccie powierzchniowe, D — srednica kropli, pg — gcstosci gazu.
Z poprzedniego rownania mozna obliczyc krytyczn^ srednicc kropli, czyli maksymalna srednicc kropli D = Dmax, ktora moze istniec w tych warunkach, gdyz wszystkie krople wicksze od (Dmax) powinny ulec rozpadowi
swe
Dmax =T (8)
PgW
Rozpad wtorny kropli zachodzi wtedy, gdy We & gt- Wekr. Im wicksza jest liczba (We), tym wymiary kropli w wyniku rozpadu wtornego s^. mniejsze. 1]
Mozna rowniez wprowadzic pojccie minimalnej srednicy kropli (Dmin), ktora nie zmienia sic wskutek rozpadu nawet w najbardziej szybkim przeplywie gazu. Dzieje sic tak, poniewaz krople o srednicach D & lt- Dmin s^. latwo unoszone przez gaz, co wyklucza mozliwosc ich rozpadu. Oczywiscie w danym widmie rozpylenia mog^. znajdowac sic krople o srednicach mniejszych od (Dmin), bowiem takie krople mog^. powstac w normalnym procesie rozpylania. [1] 1.3. Balistyka kropli
Zagadnienie balistyki kropli jest bardzo zlozone i trudne do precyzyjnego ujccia zarowno od strony analitycznej jak i eksperymentalnej. Wynika to z nastcpuj^cych powodow:
• ruch kropli odbywa sic czcsto w polu dzialania roznych i zmiennych sil,
• ruch pojedynczej kropli i ruch strugi kropli podlegaj^. odmiennym prawom,
• struga kropli zawiera krople o roznych srednicach, wskutek czego ich ruch przebiega inaczej niz ruch kropli o sredniej srednicy (wszelkie obliczenia wykonuje sic dla kropli o sredniej srednicy),
• krople ulegaj^. deformacjom i nastcpuje zmiana ich wymiarow (rozpad wtorny, parowanie) podczas ruchu, co jest szczegolnie zauwazalne powyzej pewnej odleglosci od rozpylacza (0,5 ^ 1 m),
• na powierzchni kropli mog^. sic osadzac cz^stki stale, powoduj^c zmianc ich masy. [1] Analizuj^c balistykc kropli nalezy rozpatrzyc dwa podstawowe ujccia problemu:
• ruch pojedynczych kropli,
• ruch strugi kropli.
Rozpatruj^c ruch i zasicg pojedynczej kropli nalezy wzi^c pod uwagc energic kinetyczn^. kropli, jej wlasciwosci aerodynamiczne oraz wzajemne prcdkosci kropli i gazu. Przy malych srednicach kropli wickszej wagi nabieraj^. procesy dyfuzji. Najprostszym przypadkiem ruchu strugi kropli to opadanie strugi kropli w duzym obszarze nieruchomego gazu. Opadanie takie moze przebiegac wedlug dwoch granicznych mechanizmow. Realizacja jednego lub drugiego mechanizmu zalezy przede wszystkim od koncentracji, srednicy i prcdkosci kropli oraz od gcstosci cieczy i gazu. Mechanizmy te maj^. nastcpuj^cy charakter:
1. Mechanizm porywania. Jezeli pomicdzy kroplami istnieje duze wzajemne oddzialywanie aerodynamiczne, wowczas krople porywaj^. gaz, ktory wypelnia przestrzen micdzy kroplami. [1]
2. Mechanizm segregacji polega na miejscowych koncentracjach okreslonych frakcji kropli. W strudze kropli znajduj^. sic krople o roznych srednicach. Roznorodnosc ta powoduje, ze krople o roznych srednicach podlegaj^. odpowiednio oddzialywaniom sil o roznych wartosciach — poruszaj^ sic w rozny sposob oraz maj^ niejednorodny rozklad objctosciowy w strudze np. krople w strumieniu z rozpylacza wirowego rozkladaj^. sic w ten sposob, ze w osi rozpylacza jest przewaga drobnych kropli, a na obwodzie strumienia przewaga grubych kropli.
Powyzej opisana zlozonosc warunkow narzuca koniecznosc stosowania daleko posunictych uproszczen w obliczeniach, co z kolei powoduje, ze wyniki obliczen obarczone s^. na tyle duzymi blcdami, iz czasem trac^. wymagan^. uzytecznosc praktyczn^. St^d tez w inzynierskich zastosowaniach obliczenia dotycz^ce balistyki kropli zwykle s^. weryfikowane eksperymentalnie. 1.4. Parametry rozpylonej cieczy
Kluczowe znaczenie przy rozpatrywaniu parametrow rozpylonej cieczy ma rozpylacz — jego konstrukcja, sposob rozpylania, wymiary. Nie mniejsze znaczenie maj^. warunki rozpylania (temperatura, cisnienie) i parametry fizyczne rozpylanej cieczy, wplyw dodatkow
modyfikuj^cych do cieczy. Niniejszy rozdzial koncentruje sic na parametrach rozpylonej cieczy pomijaj^c technologie rozpylania.
Termin mgla wodna oznacza intuicyjnie bardzo drobno rozpylon^. wodc tak, aby pozostala zawieszona w powietrzu przez pewien okres czasu. Termin ten odzwierciedla jedn^ z cech jakosciowych strumienia rozpylonej wody (mgly wodnej), tj. rozmiary kropli s^. male w porownaniu do kropli deszczu lub kropli w strumieniu wody wyrzuconej z tryskaczy. Rozmiary kropli nie s^. jedyn^, wazn^, z uwagi na zastosowanie, cech^. strugi rozpylonej cieczy. W zaleznosci od przewidywanego celu stosowania — gaszenie, chlodzenie, oczyszczenie powietrza czy zapobieganie rozgorzeniu — rozpylony strumien powinien sic wyrozniac szeregiem cech, optymalnych dla danego zastosowania, np.: jakosci^ rozpylenia, rownomiernosci^ rozpylenia, pcdem strumienia, udzialem w strumieniu duzych kropli, itp.
Chc^c sklasyfikowac parametry rozpylonej cieczy nalezy opisac j^. na dwoch poziomach — w skali makro, rozpatruj^c makrostrukturc rozpylonej cieczy i w skali mikro, rozpatruj^c jej mikrostrukturc. 1.4.1. Makrostruktura
Makrostrukture strumienia mgly wodnej mozna ogolnie opisac powierzchniami izometrycznymi gcstosci masowej. Powierzchnie izometryczne gcstosci masowej s^. to powierzchnie o tej samej gcstosci masowej — podobnie jak izobary w meteorologii to powierzchnie w atmosferze o tym samym cisnieniu. W zaleznosci od metodyki pomiaru i uzyskanych ksztaltow tych powierzchni izometrycznych gcstosci masowej mozemy mowic o:
• k^cie rozpylenia,
• zasicgu strumienia,
• rozkladzie intensywnosci zraszania.
Kqt rozpylenia a jest to k^t wierzcholkowy rozpylonego strumienia. Na rysunku 3 widac, ze strumien zwcza sic wraz ze wzrostem odleglosci x od dyszy. Zwczenie strumienia wynika glownie z dzialania otaczaj^cego gazu, ktory zostaje wprawiony w ruch przez zasysaj^ce dzialanie strumienia. Istotne znaczenie ma rowniez sila ciczkosci. K^t a moze byc, zatem jednoznacznie okreslony, tylko w mocno rozrzedzonym gazie w warunkach niewazkosci. Czasem definiuje sic k^t rozpylenia za pomoc^ k^ta a'-, ktory mozna mierzyc w normalnych warunkach. Pomiar taki ma sens wtedy, gdy dla danej odleglosci x jest znana wspolzaleznosc odcinkow AB i AB'-, czyli wspolzaleznosc k^tow a i a'-. 1]
Ryc. 3. Zw? zenie strugi kropli w nieruchomym otoczeniu
Do celow praktycznych wykorzystywany jest glownie kqt a'-, gdyz zalezy nam na znajomosci obszaru zraszania, jaki mozna uzyskac z danego rodzaju dyszy. Z kolei znajomosc obszaru zraszania jest konieczna do obliczenia liczby i rozmieszenia dysz urzqdzenia gasniczego tak, aby pokryc calq powierzchni? chronionq. Kqt rozpylenia a'- jest rowniez istotny w przypadku uwzgl? dniania fizycznych przeszkod stojqcych na drodze rozpylanych kropli. Znajomosc kqta a'- pozwala na usytuowanie dysz umozliwiajqce omini? cie przeszkod.
Z kqtem a'- zwiqzany jest napor, jaki wywiera rozpylany strumien na okreslonq jednostkowq powierzchni? oraz zasi? g strumienia. Im wi? kszy kqt a'- przy danej wydajnosci i cisnieniu tym mniejszy napor na okreslonq jednostkowq powierzchni?, na ktorq pada strumien. Przy wzrastajqcym kqcie a'- maleje jednoczesnie z naporem zasi? g strumienia.
Zasigg strumienia L jest to dlugosc strumienia w kierunku osiowym. Zasi? g L zwykle mierzy si? dwoma sposobami:
a. przy poziomym rzucie strumienia (rys. 4a), Lh jest funkcjq wysokosci h,
b. przy pionowym rzucie strumienia (rys. 4b), przyjmuje si? ze zasi? g strumienia L99 jest to wysokosc, na ktorq uniesie si? nie mniej niz 99% masy cieczy. 1]
a) b)
Ryc. 4. Zasi? g strugi kropli a) przy poziomym rzucie strumienia b) przy pionowym rzucie strumienia [1]
Zasi? g L zalezy od pr? dkosci wyplywajqcej cieczy, jej masy i widma rozpylania — im wi? ksza pr? dkosc i wi? ksza masa, a w strumieniu jest znaczqcy udzial kropli o duzych srednicach, tym zasi? g L jest wi? kszy. Parametr ten w sposob bardzo istotny wplywa na skutecznosc gasniczq. Zwykle wi? kszy zasi? g rozpylonego strumienia zapewnia lepszq skutecznosc gasniczq.
Na podstawie wynikow pomiarow widma rozpylenia przedstawiajqcych rozklad ilosciowy cieczy1 w strudze kropli mozna obliczyc intensywnosci zraszania dla danego punktu pomiarowego. Dysponujqc informacjq o liczbie kropli z kazdego przedzialu pomiarowego, jaka osiadla na okreslonej powierzchni wyznaczonej przez sond? pomiarowa mozna obliczyc mas? wody, jaka zostala wykroplona na tej powierzchni. Przy odniesieniu do jednostki czasu mozna wyliczyc szacunkowq wartosc intensywnosci zraszania. Wysokie dokladnosci pomiarow intensywnosci zraszania sq mozliwe do osiqgni? cia przy bezposrednich pomiarach ilosci wody wykroplonej w poszczegolnych punktach w odniesieniu do jednostki czasu. Przykladowe sposoby pomiarow intensywnosci zraszania umozliwiajqce osiqgni? cie duzej dokladnosci pomiarow ilustrujq rysunki 5, 6, 7 i 8. Numery w komorkach symbolizujq przykladowe wysokosci slupow wody (mm) w naczyniach pomiarowych po okreslonym czasie dzialania dyszy. Dysza umiejscowiona jest centralnie na okreslonej wysokosci h (m) nad zestawem naczyn pomiarowych.
1 Wyjasnienie w rozdziale Mikrostruktura.
0 0 0 1 3 1 3 0 0 0
0 2 3 7 7 6 6 4 5 0
1 6 12 12 11 9 11 9 4 0
3 6 13 10 11 10 9 11 8 2
5 8 10 10 12 «12 1 10 9 7 4
4 8 10 11 12 P11 11 10 8 5
2 7 10 9 9 10 10 11 5 3
1 5 11 9 8 9 11 12 4 1
0 2 3 7 7 5 7 4 3 0
0 0 2 3 2 1 3 2 0 0
Ryc. 5. Schemat stanowiska do pomiarow pelnego rozkladu intensywnosci zraszania
Ryc. б. Schemat stanowiska do pomiarow obwodowego rozkladu intensywnosci zraszania
Ryc. 7. Schemat stanowiska do pomiarow promieniowego rozkladu intensywnosci zraszania
Utworzony wykres na podstawie otrzymanych wynikow pomiarow z pelnego rozkladu intensywnosci zraszania bcdzie wykresem trojwymiarowym. Chc^c przedstawic rozklad intensywnosci zraszania na plaszczyznie nalezy sic posluzyc liniami izometrycznymi objctosci wody — powstan^. one przez pol^czenie liniami komorek o tych samych wartosciach. Linie izometryczne objctosci wody s^. obrazem przeciccia powierzchni izometrycznych gcstosci masowej plaszczyzn^. pomiarow^.
Dysza rozpylaj^ca powinna charakteryzowac sic okreslon^, symetryczn^, rownomiernosci^ rozpylenia. Ryc. 7 przedstawia pomiar promieniowego rozkladu intensywnosci zraszania, natomiast ryc. б przedstawia pomiar obwodowego rozkladu intensywnosci zraszania. Promieniowy rozklad intensywnosci zraszania sluzy do oceny rownomiernosci strugi kropli wzdluz promienia, natomiast obwodowy rozklad intensywnosci zraszania sluzy do oceny symetrii strugi kropli wzglcdem jej osi.
Intensywnosc zraszania dysz przeznaczonych do stalych urzqdzen gasniczych mglowych powinna byc mierzona jednoczesnie na kilku dyszach, — do badan przyjmuje si? na czterech sqsiednich dyszach-, jak to przedstawiono na ryc. 8. Uzasadnione jest to tym, ze dysze w tych urzqdzeniach pracujq w zespolach: albo pracujq w sekcjach (urzqdzenia zraszaczowe) albo zaklada si?, ze nastqpi otwarcie kilku sqsiednich dysz (urzqdzenia tryskaczowe). Bardzo rzadko zaklada si?, ze dysze dzialajq pojedynczo. W obszarach granicznych strumienie z kilku sqsiednich dysz nakladajq si? nawzajem na siebie tworzqc nieco inny rozklad intensywnosci zraszania niz w przypadku strumienia z tych dysz rozpatrywanych jako kazda dysza oddzielnie. Totez istnieje potrzeba sprawdzenia w szczegolnosci obszarow «granicznych& quot-. Duze roznice w wartosciach intensywnosci zraszanie pomi? dzy poszczegolnymi komorkami sq bardzo niekorzystne — swiadczy to o nieprecyzyjnym wykonaniu dyszy. Cech? tq okreslanq jako nierownomiernosc rozktadu intensywnosci zraszania mozna mierzyc i porownywac jej wartosc z innymi dyszami.
'-9 8 7 8 8 7 9 9 8 8»
8 8 8 9 8 8 7 9 8 8
9 8 7 7 7 7 8 9 9 8
7 8 7 7 6 7 7 9 8 9
9 8 7 6 5 6 6 7 8 9
8 9 8 7 5 5 6 7 9 8
9 8 9 7 6 7 7 8 9 8
9 8 9 8 7 8 9 8 9 8
9 8 8 9 8 8 8 8 9 9
9 1 8 7 9 9 9 8 8 8 8 i
Ryc. 8. Schemat stanowiska do pomiarow rozkladu intensywnosci zraszania dysz pracujqcych
w zespole
Nierownomiernosc rozkladu intensywnosci zraszania I mozna okreslic liczbowo na podstawie rownania:
I = qmax ~ qmm 100% (9)
qsr
gdzie: qmax, qmin, qsr — odpowiednio maksymalna, minimalna i srednia intensywnosc zraszania. [1]
Parametr I, ustalony na podstawie pomiarow pelnego rozkladu intensywnosci zraszania dyszy lub zespolu dysz, bcdzie bardziej wiarygodny niz ustalony na podstawie pomiarow promieniowego lub obwodowego rozkladu intensywnosci zraszania, przy zastosowaniu komorek tej samej wielkosci. Niew^tpliwie ten pierwszy jest duzo bardziej pracochlonny. Nalezy zwrocic jeszcze uwagc na to, aby zgodnie z regulami statystyki, do pomiarow uzyc stosunkowo duzej liczby komorek pomiarowych — adekwatnie do pola pokrycia, jakie zakresla dana dysza.
Opisane wyzej sposoby mierzenia intensywnosci zraszania (wyrazanej w przyroscie slupa wody w czasie [mm/min]) s^. wlasciwe w przypadku pomiarow mgly wodnej o niskim stopniu rozpylenia oraz «zwyklych& quot- strumieni rozpylonych takich jak np. z tryskaczy. W przypadku mgly wodnej o wysokim stopniu rozpylenia (mgly wodnej okreslanej jako «sucha& quot- tj o srednicy do 5 mikrometrow lub «nieosiadaj^ca& quot- o srednicy do 5C mikrometrow) pomiar intensywnosci zraszania nie jest praktycznie mozliwy. Wyobrazeniem problemu moze byc proba pomiaru intensywnosci zraszania, jaka powodowalby znana wszystkim mgla atmosferyczna. Ekwiwalentem intensywnosci zraszania w takim przypadku moze byc gcstosc strumienia wyrazona w [ml/m ]. Jednym ze sposobow pomiaru gcstosci mgly wodnej zawieszonej w powietrzu jest pomiar ekstynkcji, czyli wyznaczenie gcstosci optycznej osrodka (tu mgly wodnej zawieszonej w powietrzu) na podstawie oslabienia promieniowania. 1.4.2. Mikrostruktura
Krople w rozpylonym strumieniu wody stanowi^. typowy uklad niejednorodny (polidyspersyjny), ktory charakteryzuje sic duzym rozrzutem srednic kropli. Jeszcze wickszy rozrzut wystcpuje w przypadku powierzchni i mas kropli. Na przyklad strumien kropli
0 srednicy od 1C pm do 2CC pm ma rozrzut srednic 1: 2C a rozrzut mas do potcgi trzeciej, czyli 1: 8CCC. Uklad polidyspesyjny, jakim jest rozpylony strumien wody, mozna przedstawic graficznie w postaci krzywej rozkladu ilosciowego (udzialow ilosciowych) kropli. Chc^c wiernie opisac mikrostrukturc rozpylanej cieczy nalezy policzyc calkowit^. ilosc kropli w badanej, reprezentatywnej probce, jednoczesnie mierz^c srednice liczonych kropli. Nastcpnie calkowity zakres mierzonych srednic nalezy podzielic na kilkanascie lub kilkadziesi^t przedzialow wielkosci srednic, w zaleznosci od wymaganej dokladnosci
1 metody pomiaru. Dla przykladu: zmierzylismy, ze najwicksze wytwarzane krople bcd^. mialy srednice Dmax = 4CC p, m, a najmniejsze, ktore jeszcze nas interesuj^. bcd^. mialy srednice 2C p, m — na tej podstawie tworzymy zakres od 2C p, m do 4CC p, m, ktory nastcpnie dzielimy np. na 19 rownych przedzialow, kazdy o szerokosci 2C p.m. Liczba kropli (n) zakwalifikowanych
do okreslonego przedzialu (i) o szerokosci (DD) odniesiona do calkowitej liczby kropli (N)
przedstawia udzial ilosciowy (liczbowy) D n kropli w danym przedziale i.
— Dn
D n, =^ (10)
! N
Na tej podstawie, czyli znajomosci wielkosci kropli oraz udzialow ilosciowych w poszczegolnych przedzialach tworzymy histogram. Histogram jest opisany funkcjq rozkladu ilosciowego kropli wedlug nast^pujqcego wzoru:
D n
f (D) = ^ (11)
JnK '- DD
Post^pujemy ciqgle zgodnie z zasadami matematyki i stosujemy terminologie statystycznq. Przyjmujqc srednice kropli (D) jako zmiennq losowq (x) tj. zmiennq ciqglq przy szerokosciach przedzialow (Ax,.) dqzqcych do wartosci 0 mamy:
fn (x) = lim ^ = dJL (12)
(r)0 Dx, dx
Funkcja f (x) opisuje rozklad g^stosci prawdopodobienstwa zmiennej losowej (x), jej wykres przedstawia krzywq rozkladu ilosciowego kropli (czqstek). Powstaje ona przez wygladzenie krzywej schodkowej przedstawiajqcej procentowe udzialy ilosciowe czqstek w kazdym z przedzialow, przy czym srednica (x) jest zmiennq ciqglq. Jak widac na rys. 9, rozklad f (x) nie jest rozkladem normalnym (rozkladem Gaussa).
2 Analiza ilosciowa moze tu dotyczyc: liczby kropel, ich masy, obj^tosci, powierzchni lub dlugosci srednic kropli.
Ryc. 9. Krzywe fn (D)=fn (x) i Фп (Б)=Фп (х) udzialu ilosciowego cz^stek [1]
Funkcja f (x) jest pochodn^ dystrybuanty Ф (х) zmiennej losowej (x), zas dystrybuanta Ф (х) jest funkcja sumarycznego udzialu (rozkladu) ilosciowego kropli.
F n (x) = Z D
n.
(13)
lub
F n (x) = j fn (x)dx
(14)
Dystrybuanta jako krzywa niemalej^ca okresla procentowy udzial liczby cz^stek o srednicach mniejszych od (x) jaki jest w calkowitej liczbie cz^stek. [1]
1=1
0
Wszystko, co powiedziano na temat rozkladu ilosci cz^stek fn (x) i Фn (x), w funkcji dlugosci (x) tj. srednic (D), dotyczy rowniez rozkladu ilosci cz^stek w funkcji powierzchni fA (x) i ФA (x) oraz objctosci (masy) fV (x) i Фу-(x) — s^. to wartosci ilosciowe powi^zane ze sob^.
Na wykresach rozkladu obj? tosci fV (x) i ®V (x) — przedstawionych na rys. 10 — pokazano dwie charakterystyczne srednice. Jednq z nich jest srednica modalna zwana dominantq (Dmod), odpowiadajqca maksimum krzywej fv (x) lub punktowi przegi? cia krzywej (PV (x). Drugq jest srednica medialna (DV0,5), ktora dzieli powierzchni? pod krzywq fv (x) lub obj? tosc (mas?) kropli na dwie polowy, co odpowiada wartosci ®V (x) = 50%. 1] W literaturze, szczegolnie angloj? zycznej, srednic? medialnq oznacza si? cz? sto VMD.
Ryc. 10. Srednice charakterystyczne na krzywych rozkladu obj? tosciowego Mozna rowniez znalezc takq srednic? kropli, ktora b? dzie dzielila obj? tosc (mas?) kropli wedlug innych proporcji np. na wykresie OV (x) = 10%, co znaczy, ze obj? tosc (masa) kropli, ktorych srednice sq mniejsze od znalezionej (DV0,1) jest rowna 10% calkowitej obj? tosci mierzonych kropli. W identyczny sposob znajdujemy srednic? (DV0,9). Wyzej opisane srednice DV0,1, DV0,5, DV0,9 sq wykorzystywane jako srednice pozycyjne. Dzi? ki tym trzem punktom mozemy dosc precyzyjniej okreslic polozenie krzywej fv (x) i 0V (x), a co za tym idzie opisywane za ich pomocq widmo rozpylenia. Wykorzystuj qc kilka srednic pozycyjnych danego wykresu widma mozemy dosc obiektywnie porownywac miedzy sobq widma rozpylenia uzyskiwane w roznych warunkach (np. inne dysze, polozenie, cisnienie itp.). Porownania miedzy sobq tylko jednej srednicy (np Dmod, DV0,5 czy srednicy sredniej) jest uzyteczne przy ogolnych opisach, natomiast przy szczegolowych opisach moze dojsc do powstania duzych bl? dow.
3 Skrot z j? z. angielskiego od Volume Median Diametr.
Ryc. 11. Porownanie krzywych rozkladu objctosciowego kropli w odniesieniu do dysz
mglowych roznego rodzaju [5]
Jak jest to widoczne w punkcie A na rysunku 11 dwa strumienie rozpylonej cieczy o tym samym DV0,5 (VMD) mog^. miec wyraznie rozne widma rozpylenia. Wazna jest informacja, ze w strumieniu rozpylonej cieczy znajduj^ sic krople o wickszych srednicach. Dzicki tej informacji mozna zapobiec np. rozbryzgiwania sic cieczy palnych na skutek przedarcia sic duzych kropli do powierzchni paliwa [5]. Wiarygodn^. informacje na ten temat daje znajomosc opisanych srednic pozycyjnych. W szczegolnych przypadkach mozemy okreslic srednicc (Dmax) to znaczy, zmierzyc i podac, jakie maksymalnej wielkosci krople znajduj^. sic w rozpylonym strumieniu.
Krzywe eksperymentalne f (x) i Ф (х) mog^. byc opisane roznymi rownaniami, ktore maj^. lepsze lub gorsze wlasnosci aproksymuj^ce. Do najbardziej znanych nalezy rownanie Rosina-Rammlera:
(15)
Ф-у (х) = 1 — exp
D
gdzie:
D — srednica cz^stki,
5 — parametr rozkladu (jednorodnosci rozdrobnienia), X — parametr rozmiaru srednic kropli.
Parametry rownania 5 i X wyznacza si? graficznie na podstawie szeregu probek. Rownanie to okresla, jaki jest udzial obj? tosciowy (masowy) czqstek o srednicach mniejszych od D. [2]
Wobec faktu zroznicowania rozmiarow czqstek zachodzi koniecznosc charakteryzowania pobranej probki kropli za pomocq srednich srednic. Srednia srednica jest to wielkosc umowna, ktora charakteryzuje zbior jednakowych czqstek w zast? pstwie rzeczywistej populacji czqstek. Srednia srednica w zaleznosci od sposobu jej obliczania -okresla kazdorazowo takq wlasnosc zbioru, jak liczba, srednica, powierzchnia oraz obj? tosc czqstek, lecz nie daje pelnej informacji o samej populacji czqstek.
Ryc. 12. Zbiory czqstek: a) zbior wielofrakcyjny, b) zbior zastcpczy pod wzglcdem ilosci
i srednicy czqstek
Na rysunku l2a pokazano zbior dziesicciu (N = lG) czqstek kulistych o srednicach od l do lG jednostek umownych. Zbior ten na rysunku l2b zastqpiono zbiorem rowniez dziesicciu czqstek o sredniej srednicy arytmetycznej 5,5 tych samych czqstek- oba zbiory majq tc samq dlugosc. Gdyby natomiast stworzyc zbior zastcpczy o tej samej liczbie czqstek i o tej samej sumarycznej powierzchni, to czqstki zastcpcze mialyby srednicc 6,2l jednostek. Poniewaz ilosc czqstek w poszczegolnych przedzialach wynosi An, wicc dlugosc, powierzchnia i objctosc (masa) czqstek w kazdym z przedzialow sq okreslone odpowiednio przez And, And2 i And3. Lqczne wartosci otrzymuje sic przez sumowanie we wszystkich przedzialach.
Tabela l.
Wybrane srednie srednice kropli (czqstek) [X][2]
Srednia srednica Oznaczenie Wzor Zastosowanie
Arytmetyczna (dlugosc/liczba) Dig Z AnD Z An porownanie ukladow dyspersyjnych
Objctosciowa (objctosc/liczba) D3G SAnd3 3 V SAn kontrola objctosci, zjawiska objctosciowe
Sautera (obj ctosc/powierzchnia) D32 Z AnD3 Z AnD2 zasicg kropli, wymiana masy, wymiana ciepla
*Indeksy przy oznaczeniu srednicy oznaczajq, przestrzenie, po jakich dokonywano usrednienia np. srednia
srednica dlG oznacza, ze skojarzono wymiar liniowy srednicy (l) z wartosciq niemianowanq (G), jakq jest liczba kropli.
Srednica objctosciowo powierzchniowa D32 (srednica Sautera) jest to srednica jednorodnego zbioru zastcpczego o tej samej sumarycznej objctosci i tej samej sumarycznej powierzchni
wszystkich kropli, co w zbiorze rzeczywistym. Srednica Sautera jest stosowana najczcsciej, gdy chcemy opisac procesy zachodz^ce w srodowisku pozaru takie jak: zasicg kropli, wymianc ciepla i masy.
Zasicg kropli zalezy od stosunku sil bezwladnosci i sil oporu aerodynamicznego wedlug zaleznosci: [1]
^ pD3 A
D32 ~ pD2 p2v2 A (16)
Z
gdzie: p1, p2 — gcstosci cieczy i otaczaj^cego osrodka gazowego, a — przyspieszenie kropli.
Wymiana ciepla micdzy kroplami i otoczeniem zalezy od stosunku ilosci ciepla potrzebnego do ogrzania kropli o AT do ilosci ciepla przejmowanego przez krople z otoczenia przy roznicy temperatur AT wedlug zaleznosci: [1]
Z CiPi AT An
D32 ~ ZapD3 AT An (17)
gdzie: c1 — cieplo wlasciwe cieczy, a — wspolczynnik przejmowania ciepla.
Wymiana masy micdzy kroplami i otoczeniem zalezy od stosunku masy kropli do masy odparowanej cieczy w jednostce czasu wedlug zaleznosci: [1]
^ pD3 л
Z л — An
D32~ ZpD2?(Ca -C)An (18)
gdzie:? — wspolczynnik wymiany masy, C, Co — koncentracja cieczy w otaczaj^cym osrodku gazowym z dala od powierzchni i przy powierzchni kropli.
Wskazniki rozpylenia cieczy s^. to wskazniki opisuj^ce mikrostrukturc rozpylonej cieczy, czyli innymi slowy, s^. to parametry opisuj^ce stan strumienia na poziomie mikro: srednie srednice kropli, pozycyjne srednice kropli, powierzchnie wlasciwe kropli, jakosc rozpylenia. Porownuj^c wskazniki rozpylenia cieczy miedzy sob^. mozna, przy wykorzystaniu
od jednej do kilku liczba charakteryzuj qcych te wskazniki, wybrac najbardziej pozqdane do danej aplikacji rozpylenie.
Powierzchnia wtasciwa kropli AD jest to powierzchnia przypadajqca na jednostkc objctosci (rzadziej masy) rozpylonej cieczy. Znajomosc tej powierzchni jest istotna przy opisie procesow zachodzqcych na powierzchni kropli — np. adsorpcji (czyli wychwytywania) czqsteczek szkodliwych gazow lub czqstek cial stalych (np. dymu). Powierzchnic wlasciwq Ad mozna obliczyc ze znajomosci widma rozpylenia, lecz jest to czynnosc zbyt uciqzliwa, dlatego korzysta sic z pojccia srednicy Sautera. Srednica D32 jest okreslona dla takiego zbioru kropli, ktory ma taki sam stosunek objctosci i powierzchni wszystkich kropli, jak i jednej kropli o srednicy D32. Nalezy, zatem zapisac:
Ad = A = PD[2 = (19)
gdzie: A1 i V1 — powierzchnia i objctosc jednej kropli.
23
Podstawiajqc D32 w centymetrach uzyskuje sic AD w cm /cm.
Na rysunku 13 przedstawiono wykres powierzchni wlasciwej jednorodnych kropli w zaleznosci od wielkosci srednic kropli.
6
Powierzchnia wtasciwa (cm2/cm3)
1200
800
400
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Srednica kropel (cm)
0
0
Ryc. 13. Zaleznosc powierzchni wlasciwej AD kropli od ich srednic D
Jakosc rozpylenia jest opisywana dwoma parametrami: stopniem rozpylenia i jednorodnosciq rozpylenia. Kazdy z tych dwoch parametrow bcdzie charakteryzowany przez okreslone liczby. l]
Jednorodnosc rozpylenia J okresla rozrzut srednic kropli, przy czym wicksza jednorodnosc rozpylenia oznacza mniejszy rozrzut srednic kropli.
W literaturze anglojczycznej spotyka sic odwrotnosc tej wartosci okreslanej jako Relative Span Factor (RSF), ktory oblicza sic wedlug wzoru:
RSF = 1/J = Dv0,9 -Dv0,1 [1][8] (20)
DV 0,5
Stopien rozpylenia informuje o sredniej srednicy kropli, przy czym wickszy stopien rozpylenia oznacza mniejszy srednic srednicc kropli [1]. W zaleznosci od zastosowania podaje sic odpowiednio okreslon^ srednic srednicc kropli — np. D32, D10. Cennym uzupelnieniem okreslenia jakosci rozpylenia jest podanie, oprocz jednorodnosci rozpylenia J (lub wspolczynnika RSF) oraz stopnia rozpylenia (czyli sredniej srednicy DXY), rowniez srednicy Dmax — srednicy najwickszych kropli wystcpujcych w strumieniu. Zalezy to od przewidywanego zastosowania mgly wodnej. Dla przykladu w strumieniu gasniczym mgly wodnej stosowanej do gaszenia pozarow klasy F (tluszcze spozywcze) obecnosc kropli o srednicy wickszej niz Dkrytyczne spowoduje, ze kropla te nie zd^za odparowac przed osi^gnicciem powierzchni gaszonego tluszczu. Kontakt kropli wody z gor^cym tluszczem powoduje rozrzut tego tluszczu i w konsekwencji zintensyfikowanie spalania — efekt odwrotny od zamierzonego. W tym przypadku znajomosc srednicy Dmax jest koniecznie potrzebna do weryfikacji czy nie przekracza wartosci srednicy Dkrytyczne.
Rozklad ilosciowy kropli, czyli widmo rozpylenia jest podstawowym parametrem opisuj^cym mikrostrukturc rozpylonej cieczy. W oparciu o ten pierwotny parametr mozliwe s^. do wyliczenia inne rozklady (powierzchniowe, objctosciowe) i liczby charakteryzuj3. ce te rozklady (srednice pozycyjne, srednice medialne, srednice srednie, jednorodnosc rozpylenia itd.). Rozklad ilosciowy nie jest jedynym parametrem opisuj^cym mikrostrukturc rozpylonej cieczy. W wielu zastosowaniach strumieni rozpylonych w ochronie p. poz. (glownie jednak do gaszenia i chlodzenia) waznymi parametrami s^ prcdkosci kropli oraz ich przestrzenne lub czasowo-przestrzenne koncentracj e.
W literaturze (glownie anglojczycznej) utrwalil sic i funkcjonuje do tej pory podzial na 3 klasy mgly wodnej w zaleznosci od srednic kropli wystcpujcych w tej mgle. Podzial ten opisany jest w [5] Fire Protection Handbook Eighteenth Edition FIG. 6−15G. Classification of drop size distributions-Classes 1, 2, and 3. Klasyfikacja ta jest nastcpuj^ca:
• Klasa 1 mgly wodnej to (Dv0. 9)<- 200 mikrometra.
• Klasa 2 mgly wodnej to 200& lt- (Dv0. 9)<-400 mikrometra.
• Klasa 3 mgly wodnej to 400 & lt- (Dv0. 9)<-1000 mikrometra.
Z przytoczonego podzialu wynika, zdefiniowanie mgly zalezy od przyjctej konwencji -wedlug National Fire Protection Association mozemy nazywac mglq wodnq rozpylony strumien o wielkosci kropli nawet do 1 000 mikrometrow, podczas gdy intuicyjnie rozumiana mgla — np. mgla atmosferyczna charakteryzuje sic kroplami o srednicy zaledwie kilkudziesicciu mikrometrow.
Metody pomiarowe mikrostruktury rozpylonych cieczy w sposob ogolny mozna podzielic na metody kontaktowe i bezkontaktowe. Metody kontaktowe pomiaru srednic wymagajq bezposredniego, mechanicznego kontaktu ukladu pomiarowego z kroplami podczas trwania pomiarow. Metody bezkontaktowe to metody wykorzystujqce fotografikc (mikrofotografie, holografie) i optykc (odbicie, rozpraszanie, interferencj c, dyfrakcjc, absorpcje swiatla). 1]
Skutecznq metodq mierzqcq mikrostrukturc rozpylonej cieczy jest metoda zmiany amplitudy Dopplera. Wykorzystuje ona zjawisko interferencji (nakladania sic) fal swietlnych. Metodq tq mozna uzyskac wyniki z szerokiego przedzialu srednic kropli (od 1 p, m do 1 000 p, m) przy jednoczesnym pomiarze prcdkosci mierzonych kropli. [7] Jest to jednak metoda dosc pracochlonna.
Szybkq i dosc dokladnq metodq pomiaru srednicy kropli a przy tym niewymagajqcq duzego nakladu pracy jest metoda optyczna. Metoda ta umozliwia pomiar srednic kropel w bardzo szerokim zakresie od dziesiqtych czcsci mikrometra do kilku tysiccy mikrometrow. Przy czym metoda ta umozliwia rowniez pomiar ksztaltow — ma to istotne znaczenie w przypadku czqstek stalych. [10]
Probkowanie jest istotnym elementem wplywajqcym na wynik pomiarow. Najwazniejszymi elementami probkowania wplywajqce w sposob istotny na otrzymane wyniki pomiarow sq: liczba zmierzonych kropli, miejsce probkowania wzglcdem dyszy rozpylajqcej i przestrzen wymiarowa — zdeterminowana przez metodc pomiaru.
Zgodnie z zasadami statystyki, im wickszq liczbc kropli zmierzymy tym mniejszy jest blqd okreslenia wymiarow kropli, czyli rzeczywistego widma rozpylenia strumienia. W obszarze pewnosci 95% dokladnosc okreslenia srednicy D32 wynika z tabeli 2. [1]
Tabela 2.
Dokladnosc okreslenia srednicy Sautera D32 w zaleznosci od liczebnosci zbioru kropli [1]
Liczba kropli Dokladnosc Liczba kropli Dokladnosc
500 ±17% 5500 ±5%
1400 ±10% 35 000 ±2%
Informacja oprzestrzeniprobkowania (2-wymiarowej czy 3-wymiarowej) jest istotna do prawidlowego wykorzystania otrzymanych wynikow pomiarow. Metoda fotoelektryczna jest technikq pomiaru, w ktorej probkowana jest okreslona przestrzen 2-wymiarowa (plaszczyzna). Pomiar w tym przypadku odbywa si? w przeciqgu okreslonego czasu. Technikq pomiarow, w ktorej probkowana jest okreslona przestrzen 3-wymiarowa jest np. holografia, szybka fotografia. Pomiar wowczas odbywa si? w nie w czasookresie, ale w punkcie czasowym.
Ryc. 14. Ilustracja przestrzeni pomiarowych:
a) 3-wymiarowej
b) 2-wymiarowej [8]
W odniesieniu do tego samego rozpylonego strumienia wodnego wyniki pomiarow w zaleznosci od przyj? tej przestrzeni pomiarowej b? dq roznily si? mi? dzy sobq — srednie srednice kropli b? dq mniejsze w nieruchomym obloku mgly wodnej w przypadku przestrzeni 2-wymiarowych niz w przypadku przestrzeni 3 wymiarowej. Wynika to z tego, ze w nieruchomym obloku mgly wodnej krople mniejsze poruszajq si? ruchem chaotycznym szybciej niz krople wi? ksze i dlatego cz? sciej przecinajq plaszczyzn? pomiarowq niz krople wi? ksze, a w zwiqzku z tym czujniki pomiarowe rejestrujq ich pozornie wi? kszy udzial. Jesli wszystkie krople w strumieniu poruszalyby si? w tym samym kierunku z identycznq pr? dkosciq to wowczas wynik pomiarow metodami wykorzystujqcymi przestrzen 2-wymiarowq i 3-wymiarowq bylby identyczny. 8]
2. Mechanizmy gasnicze wystcpuj^ce przy gaszeniu mgl^ wodn^
Prowadz^c analizc wlasciwosci wodnych pr^dow rozproszonych z uwagi na ich zastosowanie do tlumienia pozarow i mozliwosc opozniania wyst^pienia rozgorzenia koniecznym wydaje sic wyjasnienie mechanizmow gasniczych mgly wodnej. Rozwazaj^c mechanizmy gasnicze mgly wodnej nalezy miec na wzglcdzie warunki otoczenia (np. geometria zabudowy, intensywnosc wentylacji) oraz gaszony material (rodzaj, ilosc, rozmieszczenie). W zaleznosci od tego, jakie bcd^ warunki otoczenia oraz jakie materialy bcd^ gaszone, roznie bcd^ sic przedstawily optymalne sposoby gaszenia i powi^zane z tymi sposobami optymalne parametry mgly wodnej. Do okreslonych warunkow otoczenia oraz do gaszenia okreslonych materialow nalezy dobrac optymalne w danym zastosowaniu sposoby gaszenia (np. gaszenie miejscowe lub objctosciowe) oraz parametry mgly wodnej (glownie widmo rozpylenia oraz zasicg rzutu). Dobor ten nalezy prowadzic przy uwzglcdnieniu mechanizmow gasniczych mgly wodnej oraz efektywnosci tych mechanizmow w danej aplikacji. Ponizej przedstawiono przekroj mechanizmow gasniczych wystcpuj^cych przy gaszeniu mgl^. wodn^.
a) Chlodzenie strefy spalania i strefy gazow pozarowych — jest to dominuj^cy mechanizm gasniczy w przypadku gaszenia pozarow grupy B (cieczy) i C (gazow). Waga tego mechanizmu gasniczego rosnie wraz ze wzrostem stopnia rozpylenia. Przy wysokim stopniu rozpylenia mgly wodnej jest to dominuj^cy mechanizm gasniczy w odniesieniu do wszystkich grup pozarow, ktore mozna gasic mgl^. wodn^.
b) Chlodzenie spalanego materialu poprzez zraszanie jego powierzchni — jest to dominuj^cy mechanizm gasniczy w przypadku gaszenia pozarow grupy A (cial stalych) i ma istotne znaczenie tylko przy dzialaniu «grubej& quot- mgly. Mgla wodna o niskim stopniu rozpylenia (tzw. gruba) jest w stanie przebic sic przez strefc spalania i dotrzec do powierzchni spalanego materialu powoduj^c jego ochlodzenie. Bezposredni wplyw tego mechanizmu gasniczego przy gaszeniu pozarow grupy B jest pomijalnie maly gdyz krople wody, ktore przebj sic przez strefc spalania docieraj^c do powierzchni cieczy s^ zwykle pochlaniane przez t3 ciecz bez znacz^cego wplywu na wzrost efektywnosci gaszenia.
c) Wypieranie tlenu z powietrza (ze strefy spalania i najblizszego otoczenia) — mgla zmieniaj^c stan fazowy z cieczy w gaz zwicksza swoj^. objctosc ponad 1600 krotnie. Para wodna powstaje najbardziej intensywnie w najbardziej gor^cych obszarach, czyli w najwickszych ilosciach powstaje w strefie spalania i najblizszym otoczeniu strefy spalania. Para wodna w miejscach jej powstania powoduje wypieranie powietrza, a wraz z nim
nastcpuje obnizenie stczenia tlenu. Dzicki obnizeniu stczenia tlenu — szczegolnie w okolicach strefy spalania zyskujemy spowolnienie reakcji spalania.
Ten mechanizm gasniczy jest istotny w przypadku gaszenia w pomieszczeniach zamknictych, natomiast przy bardzo intensywnej wentylacji, jaka zachodzi na otwartej przestrzeni, wplyw efektu wypierania tlenu z powietrza na skutecznosc gasniczq jest nieznaczny. Koniecznym warunkiem wystqpienia tego efektu jest wysoki stopien rozpylenia mgly wodnej, a warunkiem sprzyjajqcym jest duzy plomien powodujqcy znaczne podwyzszenie temperatury w calej kubaturze pomieszczenia. Jesli wystcpuje wysoka temperatura w znacznej kubaturze to warunki te powodujq ze para wodna powstala z mgly wodnej bcdzie utrzymywala sic w tym pomieszczeniu powodujqc wypieranie tlenu oraz chlodzenie strefy spalania. W konsekwencji mgla wodna wywrze znaczqcy efekt gasniczy.
d) Zmniejszenie ilosci energii przekazywanej na drodze promieniowania cieplnego do materialu palnego — tzw. izolowanie promieniowania cieplnego. Bariera, jaka tworzy mgla wodna ogranicza rozklad termiczny materialow bcdqcych w poblizu strefy spalania. Skutecznosc izolowania promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do stopnia rozpylenia mgly wodnej. Izolowanie promieniowania cieplnego powoduje ze plomienie pozaru oddzialujq termicznie na spalany material ze znacznie mniejszq intensywnosciq co skutkuje zmniejszeniem intensywnosci pirolizy (lub parowania w przypadku palqcej sic cieczy), co z kolei powoduje ograniczenie rozprzestrzeniania sic pozaru.
e) Pcd kropelek mgly wodnej wraz z powietrzem oddzialujqcy na plomienie i powierzchnic spalanego materialu — duza wartosc pcdu moze strqcic plomien z powierzchni materialu i spowodowac jego ugaszenie. Im pcd jest wickszy, czyli im wicksza masa strumienia mgly nabiera wickszej prcdkosci, tym wicksza jest skutecznosc gaszenia i chlodzenia. Na efektywnosc gaszenia/chlodzenia strumienia wplywa stopien rozpylenia. W ogolnym przypadku im wyzszy stopien rozpylenia tym skutecznosc gaszenia i chlodzenia jest wyzsza, jednak w zbytnie rozpylenie spowoduje mniejszy zasicg strumienia a to z kolei moze nie miec pozytywnego wplywu na skutecznosc gasniczq.
Mechanizm tu opisany zwiqzany z kinetykq strumienia nalezy zaliczyc do efektow wtornych gdyz jest specyficznym rodzajem przyspieszonego chlodzenia spowodowanego zintensyfikowanym ruchem medium gasniczego, ktorego mechanizm opisano w podpunktach a i b. Jest jednak wymieniany czasem w literaturze jako niezalezny mechanizm gasniczy mgly wodnej.
f) Efekt zjawiska «zamknictej przestrzeni& quot- (ang. enclosure effect). Istotnym czynnikiem wplywaj qcym na skutecznosc gasniczq jest fakt czy gaszenie zachodzi w zamknictym
pomieszczeniu czy na otwartej przestrzeni. Efekt «zamknictej przestrzeni& quot- polega na ograniczeniu wentylacji i «zatrzymywaniu& quot- ciepla wypromieniowywanego i ciepla oddawanego na drodze konwekcji. «Zatrzymywanie& quot- ciepla powoduje, ze mgla wodna ma lepsze warunki do przemiany fazowej w parc wodn^. (gdyz krople mgly wodnej poddane s^ dzialaniu wyzszej temperatury), a ograniczona wentylacja powoduje, ze wytworzona para wodna w sposob bardziej intensywny rozciencza powietrze i w konsekwencji tlen w strefie spalania. Mechanizm ten nalezy zaliczyc do efektow wtornych gdyz jest kompilaj podstawowych mechanizmow gasniczych opisanych w podpunktach a/b chlodzenie i punkcie c wypieranie tlenu. Mechanizm ten w literaturze przedmiotu jest czasem wymieniany rowniez jako niezalezny mechanizm gasniczy mgly wodnej.
Wymienione wyzej mechanizmy gasnicze s^ na ogol tym skuteczniejsze im uzyta do gaszenia mgla wodna charakteryzuje sic:
a. wyzszym stopniem rozpylenia (wystcpuj 3 mniej sze krople) —
b. wicksz^jednorodnosc rozpylenia (wickszosc kropli jest o podobnej srednicy) —
c. mniejsz^. nierownomiernosciq rozkladu intensywnosci zraszania (strumien pokrywa rownomiernie gaszon^ powierzchni c).
Osi^gniecie wysokiego stopnia rozpylenia przy wykorzystaniu niskich cisnien (tj. w granicach do 12 bar) stanowi wysokie wyzwanie techniczne. W tym celu stosuje sic dysze lub zespoly dysz (tzw. glowice mglowe) o odpowiedniej konstrukcji umozliwiaj^cej uzyskanie wysokiego stopnia rozpylenia. Efekt wysokiego stopnia rozpylenia wspomagany jest czasem odpowiednimi dodatkami modyfikuj^cymi do wody maj^cymi na celu obnizenie napiccia powierzchniowego.
Jednorodnosc rozpylenia nie wplywa na ogol tak znacz^co na skutecznosc gasniczy jak stopien rozpylenia czy nierownomiernosciq rozkladu intensywnosci zraszania. W kontekscie jednorodnosci rozpylenia nalezy d^zyc do takich konstrukcji dysz oraz takich warunkow rozpylania, aby nie pojawialy sic w widmie rozpylenia krople bardzo duze. Zalecenie to ma to szczegolne znaczenie przy gaszeniu cieczy, elektroniki i materialow wrazliwych na kontakt z wod3 oraz wrazliwych na szok termiczny.
W przypadku mgly o niskim stopniu rozpylenia nierownomiernosc rozkladu intensywnosci zraszania jest w znacznym stopniu uzalezniona od powierzchni dyszy na ktorej nastcpuje rozpylanie.
W przypadku mgly o wysokim stopniu rozpylenia nierownomiernosc rozkladu intensywnosci zraszania jest w mniej zalezna od powierzchni dyszy, na ktorej nastcpuje rozpylanie, a bardziej zalezna od ruchow powietrza wokol dyszy.
Opisujqc rozne mechanizmy gasnicze mgly wodnej uzasadnione wydaje sic podanie mechanizmu gasniczego typowego dla proszkow gasniczych, a ktory to mechanizm czasem dotyczy mgly wodnej. W przypadku systemow gasniczych na mglc wodnq stosowanych do ochrony obiektow zabytkowych nalezy liczyc sic z oddzialywaniem niskich temperatur. Jednym ze sposobow obnizenia temperatury krzepniccia jest rozpuszczenie w wodzie soli metali alkaicznych i wcglanow. W przypadku zastosowania do wytwarzania mgly wodnej roztworow takich soli zachodzi efekt inhibicji rodnikowej. Drobiny soli powstale w odparowanych kroplach mgly zatrzymujq lancuchowq reakcjc rodnikowq plomienia -podobnie jak ziarna proszkow gasniczych w przypadku dzialania na plomien. Efekt ten jest tym bardziej znaczqcy im wicksza masa mgly wodnej ulegnie odparowaniu.
3. Optymalne wartosci srednic kropli w mgle wodnej z uwagi na tlumienie pozarow i chlodzenie
W zaleznosci od przewidywanego celu stosowania mgly wodnej powinna ona charakteryzowac sic szeregiem najbardziej korzystnych dla danego zastosowania parametrow. Najbardziej istotnym parametrem z uwagi na tlumienie pozarow i gaszenie jest stopien rozpylenia i zwiqzane z nim srednie wartosci srednic kropli. Celem dzialania automatycznego systemu gasniczego przeznaczonego do zabezpieczania drewnianych obiektow zabytkowych moze byc:
• calkowite ugaszenie
• chlodzenie gorqcych gazow pozarowych i tlumienie pozaru zmierzajqce do opoznienie
wystqpienia zjawiska rozgorzenia.
Calkowite ugaszenie moze byc zagwarantowane jedynie wowczas, gdy na wczesnym etapie rozwoju pozaru zostanie podana mgla wodna o wysokiej gcstosci masowej — tak duzej, ze wykraplajqca sic woda zagraza stratami popozarowymi.
Chlodzenie gorqcych gazow pozarowych i tlumienie pozaru zmierzaj qce do opoznienie wystqpienia zjawiska rozgorzenia mozna osiqgnqc starajqc sic dzialac mglq wodnq w dwoch uzupelniajqcych sic kierunkach:
1. poprzez chlodzenie przestrzeni pomieszczenia, a glownie jego gornych warstw, oraz
2. poprzez dzialanie gasnicze zmierzajqce do tlumienia pozaru.
Ad. 1. W miarc rozwoju pozaru nastcpuje wzrost temperatury gazow pozarowych, ktore wypelniajq pomieszczenie gromadzqc sic poczqtkowo przede wszystkim w strefie
podsufitowej. Gor^ce gazy dzialaj^ na materialy, z ktorymi wchodz^ w kontakt powoduj^c ich rozklad termiczny. Gromadzenie sic gazowych produktow rozkladu termicznego przy rosn^cej temperaturze prowadzi do wyst^pienia zjawiska rozgorzenia, czyli gwaltownego zapocz^tkowania spalania w calej kubaturze pomieszczenia. Odpowiednie chlodzenie przestrzeni pomieszczenia powoduje zahamowanie procesow prowadz^cych do rozgorzenia. Chlodzenie to powinno byc realizowane poprzez rozpylanie mgly wodnej w najbardziej gor^cych, gornych warstwach pomieszczenia.
Ad. 2. Warunkiem koniecznym wyst^pienia rozgorzenia jest postcpowy przyrost parametrow pozaru — glownie mocy pozaru. Tlumienie pozaru, czyli dzialania zmierzaj^ce do ograniczenia rozwoju pozaru jest dzialaniem zapobiegaj^cym wyst^pieniu rozgorzenia. W sprzyjaj^cych okolicznosciach tlumienie pozaru moze doprowadzic do calkowitego ugaszenia pozaru. Tlumienie zachodzi przy wykorzystaniu mechanizmow gasniczych omowionych powyzej a glownie: chlodzenia strefy spalania i strefy gazow pozarowych, wypieranie tlenu z powietrza na skutek parowania kropli zawartych w mgle gasniczej oraz izolowaniapromieniowania cieplnego. Celem tlumienia nie jest calkowite ugaszenie pozaru, ale ograniczenie jego rozwoju.
Z uwagi na wskazane cele, czyli tlumienie pozarow oraz chlodzenie, nalezy dokonac analizy stopnia rozpylenia mgly wodnej i na jej podstawie okreslic najbardziej optymalne parametry mgly wodnej w tym glownie widmo rozpylenia.
W literaturze przedmiotu spotyka sic dwie czcsciowo przeciwstawne opinie dotycz^ce najbardziej skutecznych gasniczo stopni rozpylenia. Paul Grimwood [11,12] podaje, ze najbardziej skutecznym stopniem rozpylenia mgly wodnej (wodnych pr^dow rozproszonych) do celow gasniczych i do celow chlodzenia gazow pozarowych jest mgla wodna o sredniej srednicy kropli 200−400 mikrometrow. Powoluje sic przy tym na badania The Swedish Fire Research Board (BRANDFORSK), nie podaj^c jednak zadnej przedmiotowej pozycji literaturowej. Rzekomo wyniki tych badan udowadniaj^, ze optymalne efekty chlodzenia mgl^ wodn^ uzyskuje sic przy zakresie srednich srednic od 200 do 600 mikrometrow. Uzasadniano to tym, ze chlodzenie i gaszenie jest efektywne tylko wtedy, gdy krople wody ze strumienia gasniczego odparowuj^ tam gdzie s^ najbardziej poz^dane, czyli w strefie plomienia. Natomiast, gdy krople s^ mniejsze lub wicksze od wskazanego zakresu zachodz^. niekorzystne zjawiska:
• krople o mniejszych srednicach odparowuj^ czcsciowo, zanim osi^gn^. strefc plomienia, a czcsc z nich dodatkowo nie dociera do strefy plomienia na skutek dzialania oporu osrodka i konwekcji pr^dow cieplnych-
• kropli o wickszych srednicach nie mozna «zawiesic& quot- w powietrzu, co objawia sic tym, ze szybko opadajq grawitacyjnie nie powodujqc spodziewanego efektu gasniczego, a przyczyniajq sic do «zalewania& quot- materialow powodujqc dodatkowe straty popozarowe.
Przedstawione rozumowanie dotyczqce kropli o duzych srednicach (powyzej 600 mikrometrow) jest bezspornie sluszne — krople takie szybko opadajq w dol i osiadajq na odkrytych powierzchniach powoduj qc wykroplenia, przy czym mogq spowodowac zamoczenie materialow zabezpieczanych.
Przedstawione powyzej rozumowanie dotyczqce kropli o malych srednicach (ponizej 200 mikrometrow) moze byc sluszne, ale tylko przy dzialaniu miejscowym mgly wodnej. Natomiast przy gaszeniu mglq wodnq przez «calkowite wypelnienie& quot-, (czyli przy gaszeniu objctosciowym) w zamknictym pomieszczeniu, twierdzenie takie jest dyskusyjne. Analiza teoretyczna, jak rowniez niektorzy autorzy prac [13,14], wskazujq, ze w przypadku gaszenia objctosciowego nalezy dqzyc do jak najwyzszego stopnia rozpylenia. Uzasadnieniem takiego podejscia sq nastcpujqce argumenty:
1. Izolowanie promieniowania cieplnego. Izolowanie to jest tym efektywniejsze im wicksza powierzchnia absorbuje to promieniowanie. Dysponujqc okreslonq ilosciq wody do rozpylenia mozna zwickszyc powierzchnic absorpcji kropli poprzez uzyskanie wickszego stopnia rozpylenia. Mgla wodna dzicki bardzo duzej powierzchni wlasciwej kropli wynikajqcej z wysokiego stopnia rozpylenia pozwala podniesc wspolczynnik wykorzystania wody kilku- lub kilkunastokrotnie. Na rysunku
2 3
13 przedstawiono zaleznosc powierzchni wlasciwej kropli AD [cm /cm ] od ich srednic D [cm]. Wynika z niego, ze zmniejszanie srednic kropli mgly wodnej powoduje, ze ich powierzchnia wlasciwa rosnie teoretycznie w kierunku nieskonczonosci. Jednak najwyzszy stopien rozpylenia nie moze przekroczyc srednicy czqsteczki wody (H2O), czyli 0,0002 mikrometra. W praktyce, energia konieczna do rozpylenia wody staje sic przy coraz mniejszych srednicach kropli na tyle duza, a i technologia rozpylania na tyle nieekonomiczna, ze do celow przeciwpozarowych stosuje sic krople o srednicy nie mniejszej niz 10−50 mikrometrow. Krople o srednicy ponizej 1 mikrometra sq zaniedbywane z uwagi na bardzo maly udzial masowy takich kropli w «klasycznym& quot- widmie rozpylenia i zwiqzany z tym pomijalnie maly potencjal gasniczy. Natomiast technologia wytwarzania takich malych kropli (o srednicach ponizej kilku mikrometrow) o wystarczajqco wysokiej gcstosci wymaganej do
ugaszenia pozaru wedlug aktualnie posiadanej wiedzy, nie wyszla do praktycznego wykorzystania.
2. Czas zawieszenia kropli w powietrzu. Im mniejsze s^ srednice kropli tym dluzej krople te mog3 byc zawieszone w powietrzu. «Mgla& quot- o duzych kroplach szybko spada pod wplywem grawitacji i aby mogla stanowic odpowiedni^. izolacjc promieniowania cieplnego musi byc ona bardzo szybko uzupelniana. Mniejsze krople natomiast dluzej utrzymuj^ sic w powietrzu powoduj^c niejako «zaleganie& quot- mgly wodnej w powietrzu. Mgla taka moze dluzej oddzialywac na pozar tworz^c barierc promieniowania cieplnego, dzicki czemu wykorzystanie takiej mgly jest znacznie efektywniejsze.
3. Penetrowalnosc mgly. Kolejn^. pozytywn^. wlasciwosci^. mgly wodnej o wysokim stopniu rozpylenia jest latwiejsza penetracja przestrzeni trudnodostcpnych. Im mgla jest drobniejsza tym wlasciwosci determinuj^ce jej zachowanie s^ bardziej zblizone do wlasciwosci gazow — bardziej rozdrobniona mgla latwiej omija przeszkody bez wykraplania sic na nich i w konsekwencji latwiej gasi pozary w miejscach trudnodostcpnych. Mgla o skrajnie wysokim stopniu rozpylenia mialaby najlepsze wlasciwosci do penetracji przestrzeni trudnodostcpnych.
4. Efektywne chlodzenie strefy spalania i strefy gazow pozarowych. Male cz^stki umozliwiaj^ bardzo szybk^ absorpcjc promieniowania cieplnego oraz przejccie ciepla od gor^cych gazow. W przypadku podawania miejscowego zbyt male krople mog3 nie doleciec do ogniska pozaru ze wzglcdu na:
• szybkie parowanie takich malych kropli,
• mniejsze zasicgi rzutow (pcd strumienia malych kropli jest latwiej wytracany niz pcd strumienia duzych kropli).
Natomiast w przypadku gaszenia objctosciowego mgla wodna powoduj^ca najlepszy efekt gasniczy nie dostaje sic do ogniska pozaru «z gory& quot- (jak w klasycznych urz^dzeniach wodnych) gdyz male krople maj^ nikle szanse na przebicie «pod pr^d& quot- przez strumien konwekcyjny ognia. Taka «drobna& quot- mgla rozpylona w calej przestrzeni pomieszczenia jest zasysana do ogniska pozaru dolem wraz ze swiezym powietrzem. Odpowiednia gcstosc tej mgly spowoduje, ze wci^gane do ognia krople, ktore zd^z^ wyparowac przed osi^gnicciem strefy ognia ulegn^. przemianie w parc wodn^. a ta z kolei tez wywrze odpowiedni skutek gasniczy (tlumi^cy). Powstala para wodna rozciencza stczenie tlenu w powietrzu zasysanym do ogniska pozaru oraz obniza temperaturc w pomieszczeniu — efekty te mog3 byc niewystarczaj3. ce do ugaszenia pozaru, ale mog3 skutecznie zapobiec zjawisku rozgorzenia.
5. Rownomierne zraszanie. Dqzy sic zwykle do jak najbardziej rownomiernego rozproszenia mgly w przestrzeni gaszenia i uzyskaniu rownomiernego zraszania powierzchni zabezpieczanych obiektow — im srednice kropli sq mniejsze tym latwiej tq rownomiernosc osiqgnqc. Dzieje sic tak, dlatego gdyz male krople utrzymujq sic stosunkowo dlugo w powietrzu i mogq sic przemieszczac ruchami konwekcyjnymi (o ile nie wyparujq) na znacznie wicksze odleglosci niz krople duze. W wyniku, czego mniejszy wplyw na ich miejscowe koncentracje ma uksztaltowany na dyszy strumien mgly a wickszego znaczenia nabierajq prawa rzqdzqce ruchem aerozoli — prawa umozliwiajqce chaotyczne dryfowanie pojedynczych mikrokropli mgly wodnej w calej przestrzeni chronionego pomieszczenia. Dzicki temu nastcpuje stosunkowo rownomierne rozproszenia mgly w przestrzeni i w konsekwencji rownomierne zraszanie.
Potwierdzenie w praktyce stosowania mgly o mozliwie najwyzszym stopniu rozpylenia
Szereg opracowan teoretycznych i doswiadczalnych wskazuje na zalety mgly wodnej
0 wysokim stopniu rozpylenia. Dowody na skuteczne stosowanie mgly wodnej o kroplach monodyspersyjnych wielkosci 10 mikrometrow podano w opracowaniach firmy NanoMist Systems, LLC zamieszonych na stronie inetrnetowej National Fire Protection Asosiation [13]
1 National Institute of Standards and Technology [14]. Ponadto dzialajqca na polskim rynku zabezpieczen przeciwpozarowych firma Telesto Sp. z o.o. wykonuje skutecznie dzialajqce dysze i prqdownice mglowe ktore wytwarzajq mglc wodnq o wartosci sredniej srednicy D32 znacznie ponizej granicy uznanej przez P. Grimwooda za optymalnq.
Uzasadnienie stosowania mgly «grubej& quot-.
Decydujqc sic na okreslony rodzaj mgly wodnej nalezy zalozyc, jakiemu celowi ma ona sluzyc — w niektorych przypadkach optymalne zastosowanie znajdzie «gruba mgla& quot-, a w innych optymalne zastosowanie znajdzie silnie rozpylona «mgla sucha& quot-. Istotnym argumentem przemawiajqcym na korzysc «grubej mgly& quot- przy gaszeniu objctosciowym jest znacznie intensywniejsze chlodzenie materialu spalanego. Cecha ta ma jednak ograniczenie tylko do pozarow grupy A (cial stalych). Poza tym nie zawsze jest to cecha pozytywna -w przypadku gaszenia obiektow wrazliwych na wilgoc, np. elektroniki lub zabytkowych obrazow czy polichromii wykraplanie mgly na powierzchni chronionych obiektow jest niepozqdane czy wrccz obarczone ryzykiem powaznych strat.
4. Podsumowanie
Przy gaszeniu pozarow wewnctrznych (tj. w pomieszczeniach zamknictych) przy zastosowaniu mgly wodnej metodg gaszenia miejscowego najbardziej optymalnym stopniem jej rozpylenia bcdzie mgla wodna o srednicach kropli z przedzialu 200−600 mikrometrow. Przy czym w przypadku, gdy glownym celem podawania mgly wodnej jest opoznienie zjawiska rozgorzenia to nalezy dqzyc do tego, aby krople mgly wodnej byly jak najdluzej «zawieszone& quot- w powietrzu — wowczas najbardziej opylana mgla wodna charakteryzowalaby sic srednicami z gornych wartosci wskazanego przedzialu tj. ok. 200 mikrometrow, czyli na granicy mgly wodnej klasyfikowanej jako klasa 1 i klasa 2.
Przy gaszeniu pozarow wewnctrznych (w pomieszczeniach zamknictych) mglq wodnq metodg gaszenia objctosciowego (w tym rowniez z podawaniem strefowym) najbardziej optymalnq mglq wodnq bcdzie mgla o srednicach kropli najmniejszych, jakie technicznie mozna uzyskac — nawet w granicach 10 mikrometrow, czyli w gornym zakresie klasy 1.
Wskazanie optymalnych parametrow prqdow rozproszonych do gaszenia miejscowego w obiektach zabytkowych
Na podstawie przeglqdu literatury oraz na podstawie wlasnych doswiadczen i analiz przewiduje sic, ze do tlumienia pozarow i chlodzenia gorqcych gazow pozarowych w drewnianych obiektach zabytkowych najbardziej odpowiedni zakres wartosci srednich srednic kropli powinien zawierac sic w przedziale 100−300 mikrometrow. Przy czym im bardziej urzqdzenie jest nakierowane na gaszenie (tlumienie) pozarow tym srednie srednice powinny byc wicksze (przesunicte w okolice 300 mikrometrow), a im bardziej jest nakierowane na chlodzenie przestrzeni pomieszczenia majqce na celu zapobiezenie rozgorzeniu to mgla powinna byc jak najdrobniejsza (w okolicach 100 mikrometrow).
Przy uzyciu urzqdzenia gasniczego mglowego w trybie dzialania rccznego (gasnice przenosne i przewozne oraz hydranty mglowe) optymalnym prqdem gasniczym bcdzie czcsciowo zwarty prqd kroplisty. Prqdownica powinna umozliwic sformowanie prqdu gasniczego i skierowanie go dosc trafnie w ognisko pozaru. Nie moze to byc prqd zupelnie zwarty, bo moze on byc, przy wysokich cisnieniach na wyjsciu, niebezpieczny dla obslugujqcego prqdownicc na skutek sily odrzutu. Poza tym prqd zwarty wyrzucony pod wysokim cisnieniem moze spowodowac uszkodzenia mechaniczne gaszonych materialow. Z kolei zbyt silnie rozpylony prqd wodny bcdzie mial slaby zasicg rzutu skutkujqcy tym, ze szybkie ugaszenie pozaru za pomocq takiego strumienia bcdzie mocno utrudnione. Wlasciwe
wartosci dotycz^ce rozpylenia i k^ta rozwarcie strumienia przy dzialaniu w trybie r^cznym b^dzie okreslone na podstawie badan w skali naturalnej na prototypie urz^dzenia gasniczego mglowego.
Literatura:
1. Orzechowski Z., Prywer J., Rozpylanie cieczy II wydanie WNT Warszawa 1991.
2. Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R., Mechanika plynow w inzynierii srodowiska WNT Warszawa 1997.
3. Szymczyk T., Rabiej S., Pielesz Tablice matematyczne fizyczne chemiczne astronomiczne, Wydanie IV, PARK 2001.
4. Ochrona przeciwpozarowa w budownictwie — Tuziemek Z., Wn^k W., Urz^dzenia gasnicze na mgl^ wodn^. — Wydawnictwo Informacji Zawodowej WEKA Warszawa 2002.
5. Fire Protection Handbook — Mawhinney J., WATER MIST FIRE SUPPRESSION SYSTEMS — NFPA 2003 — Nineteenth Edition.
6. NFPA 750 Standard on Water Mist Fire Protection Systems — 2006 Edition.
7. Zbrozek P. Swietnicki J., Zastosowanie technologii mgly wodnej w zabezpieczeniach przeciwpozarowych, IV Mi^dzynarodowa Konferencja Bezpieczenstwo Pozarowe Budowli -, Cz^stochowa 2−3 pazdziernika 2002 r.
8. Schick R., An Engineer'-s Practical Guide to Drop Size, Spraying Systems Co. 1997.
9. Zbrozek P. — Stale Urz^dzenia gasnicze na mgl^ wodn^. Architekt 2/08 -str. 36−40,
10. KAMIKA Zaklad Elektronicznej Aparatury Pomiarowej — AWK SYSTEM Analiza wielkosci cz^stek. K|iK 1999.
11. Grimwood P., Desmet K.: Tactical Firefighting. A Comprehensive Guide to Compartment Firefighting & amp- Fire Training. version 1. 1, Firetactics, Cemac, January 2003.
12. Flashover and Nozzle Techiques — 2002 Paul Grimwood & amp- CEMAC (Crisis & amp- Emergency Menagment Center) www. Firetactics. com
13. Droplet breakup energies and formation of ultra-fine mist — www. nfpa. org — Adiga K.C.- NanoMist Systems, LLC
14. Ultra-fine water mist as a total flooding agent: a feasibility study — fire. nist. gov -AdigaK.C.- NanoMist Systems, LLC
15. Water Mist for Protection of Heritage — Directorate of Cultural Heritage, Norway -COST Action C17 — Builit Heritage: Fire Loss to Historic Buildings
16. Bochenski I, Wplyw cisnienia wtrysku i lepkosci oleju nap^dowego na proces rozpylenia paliwa w silnikach z ZS, Publikacje PAN odzial w Lublinie

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой