Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЫМОВ 8
1.1. Общая характеристика дымов 8
1.2. Оптические свойства дымов 11
1.3. Морфологическое строение дымов в аспектах экологии 14
1.4. Дым как неустойчивый экологически опасный и контролируемый фактор горения 18
1.5. Оптическое исследование устойчивости дымов 28
1.6. Разработки в области исследования дымообразующей способности веществ и материалов 35
1.7. Дымообразующая способность строительных материалов 39
1.8. Дымы металлов 42
1.9. Время эвакуации из помещений в случае появления дыма... 44
Выводы и постановка задачи 54
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 58
2.1. Способ скоростной генерации дыма 58
2.2. Материальная база исследования спектров пропускания дымов и продуктов осаждения 65
2.3. Способ исследования кинетики продуктов осаждения из дымовых взвесей 71
2.4. Подготовка образцов. Ошибки 72
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ 75
3.1. Дымообразующая способность картона и картонной пыли 75
3.2. Дымообразующая способность лесных горючих материалов 77
3.3. Дымообразование веществ и материалов современных городских квартир и на транспорте 79
3.4. Обработка результатов исследования дымообразующей способности 81
3.5. Экологические влияния на окружающую среду процесса седиментации дымов лесных горючих материалов 82
3.6. Новые данные к рабочим характеристикам локальных извещателей дыма 87
3.7. Исследование корреляций между концентрационными и оптическими характеристиками дымов 92
3.8. Исследование инфракрасных спектров пропускания дымов веществ
органического происхождения 95
Выводы по третьей главе 103
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ 105
4.1. Разработка метода выбора вида и типа автоматического извещателя 105
4.2. Модели формирования принципов расчетно-аналитического обоснования выбора автоматических извещателей 108
4.2.1. Прогнозирование срабатывания тепловых извещателей 112
4.2.2. Оценки времени срабатывания извещателей дыма 119
4.2.3. Модели расчетов срабатывания световых извещателей 124
4.3. Пороги срабатывания автоматических извещателей 128
4.4. Прогнозирование потери видимости при задымлении 133
4.5. Помехоустойчивые дымовые извещатели с применением световодов 135
Выводы по четвертой главе 138
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140
ПРИЛОЖЕНИЯ 155
- Общая характеристика дымов
- Способ скоростной генерации дыма
- Дымообразующая способность картона и картонной пыли
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в мировой и отечественной практике получили развитие оптические методы исследования дымов. Дымы широко исследуются как неустойчивая физико-химическая дисперсная система с характерными токсичностью и оптическими явлениями. Дымы в общем случае известный экологически опасный фактор. Особый интерес представляет то, что дымы выступают как объемный мало изученный оптический загрязнитель атмосферного воздуха со свойственной спектральной чувствительностью. Дымовая обстановка при длительном горении лесов, травяного подстила, торфяников на больших площадях способна наносить специфический вред окружающей среде за счет изменения количественных и качественных показателей солнечной радиации оптического диапазона.
Одна из проблем состоит в разработке методов генерирования дымов в лабораторных условиях с целью получения объективных данных, позволяющих моделирование дымовой обстановки при горении или сжигании различных веществ и материалов. Интерес к исследованию дымов закономерен и является важным, так как задымление является основной причиной загрязнения атмосферы и гибели людей. Одновременно дымы - диффузно рассеивающая объемная среда, которую можно эффективно обнаружить средствами автоматики на начальных стадиях горения.
Актуальность исследования продиктована необходимостью поиска подходов к реализации эффективных решений по прогнозированию и контролю дымов для повышения экологической безопасности с применением средств эффективной автоматизации. В частности своевременное обнаружение задымления в замкнутых объемах в конечном итоге позволяет снизить дымовую нагрузку в тех или иных экосистемах. Накопление фактического материала по дымообразующей способности различных веществ и материалов делает возможным: 1) сравнивать альтернативные варианты автоматических систем обнаружения очагов горения; 2) осуществлять инновационное проектирование и
5 оценки сопутствующих детерминистических опасностей и рисков, обосновывать предлагаемые решения; 3) оценивать максимально опасную дымовую обстановку.
Оптические свойства дымов при горении различных веществ и материалов определяют оценивание условий потери видимости и процессов фитоценоза.
Цель работы - прогнозирование и контроль экологической опасности дымов на основе исследований оптической плотности дымовых сред с применением методов зондирования направленными монохроматическими и широко спектральными лучами, а также посредством записи спектров пропускания.
На защиту выносятся следующие положения:
новый способ скоростной генерации дыма;
результаты экспериментального исследования дымообразующей способности лесных горючих материалов, веществ, обращающиеся в квартирах и на транспорте, а также в целлюлозно-картонном производстве;
анализ, впервые полученных, инфракрасных спектров пропускания дымов ряда горючих материалов;
разработанные расчетно-аналитические оценки выбора вида и типа автоматических обнаружителей, с учетом свойств дымов;
дымовой, помехоустойчивый искробезопасный многоканальный из-вещатель на световодах;
комплекс практических мероприятий, направленных на снижение экологической опасности дымов и обеспечивающих охрану окружающей среды.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен способ скоростной предельной генерации дыма;
определена близкая к максимальной дымообразующая способность ряда веществ и материалов;
исследованы оптические и спектрально-оптические характеристики дымов;
установлена двухстадийность процессов релаксации дымов различной концентрации;
предложен методологический подход к расчетным оценкам критических показателей задымления на основе данных по дымообразованию и оптическим характеристикам дымов;
разработан дымовой помехоустойчивый извещатель, который может быть использован для организации эффективной автоматизации экологической защиты.
Достоверность научных положений подтверждается: использованием классических методов экспериментального исследования взаимодействия световых волн с дисперсными средами, применением статистических оценок в получении экспериментальных результатов. Чувствительность средств контроля дымовых сред подтверждена проведенными натурными исследованиями и имитационным моделированием на ЭВМ.
Практическая ценность: заключается в разработке способа скоростной предельной генерации дыма, который позволяет измерять дымообразующую способность веществ и материалов; получены инфракрасные спектры пропускания в дымах; разработан алгоритм выбора вида и типа автоматических увещателей; получены методики расчета времени срабатывания извещателей с учетом физико-химических показателей опасности горючих сред, объемно-планировочных характеристик объектов и места установки датчиков. Практический интерес представляет дымовой пожаровзрывобезопасный извещатель с использованием световодов, конструкция которого позволяет его использование с целью контроля наличия и концентрации пылевых взвесей.
Результаты исследования нашли практическое применение при проектировании средств автоматики на объектах ОАО «Целлюлозно-картонный комбинат» в городе Братске, при разработке проектов ФГУП «Сибгипробум», на
7 предприятии «Кровласт», а также в учебном процессе Восточно-Сибирского
института МВД РФ, при дипломном проектировании и НИРС института.
Апробация работы;
Основные положения диссертации, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы деятельности ОВД и ГПС» (Иркутск, 2001); Всероссийской научно-практической конференции «Деятельность правоохранительных органов и ГПС» (Иркутск, 2002); на международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Иркутск, 2001). На втором российско-швейцарском научно-практическом семинаре 10 августа 2004 г. в Иркутске; межрегиональной научно-практической конференции в г. Братске. Материалы диссертации опубликованы в научно-техническом журнале «Вестник ВСИ МВД РФ» и тематических сборниках.
Публикации: по результатам диссертационного исследования опубликовано 9 статей.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (143 наименования), четырех приложений. Содержит 160 страниц машинописного текста, включая 69 рисунков и 22 таблицы.
Общая характеристика дымов
Дымы в конкретном понимании данной работы - это продукты термического разложения при сгорании и тлении различных веществ и материалов. Дымы из зоны горения выносятся в воздушную среду возникающей конвективной колонкой. Поэтому для аэродисперсной системы разнообразных частиц дыма характерна малая упругость избыточного давления и не очень высокая скорость витания. В большинстве случаев размеры частиц дыма аналогичны пылевым и аэрозольным образованиям и лежат в пределах от 5 мкм до субмикроскопических размеров, т.е. менее 0,1 мкм. Для дымов разных материалов функции распределения частиц по размерам будут различными и изменяющимися с течением времени. Как правило, функция распределения частиц в полидисперсных дымах по их размерам [Грин X., Лаин В., 1972] описывается нормальным законом распределения.
Природа образования дыма связана с реакцией окисления и выделением тепловой энергии, что обуславливает его физико-химические особенности относительно механического производства пылей и аэрозолей.
Свободный и изолированный дым следует рассматривать как неустойчивую, подвижную, полидисперсную газопылеаэрозольную систему, в которой протекают процессы седиментации, коагуляции, диссипации, адгезии, а также физико-химической релаксации. Суммарно свойства дыма зависят от всех его составляющих. Твердые, жидкие и газообразные продукты, образующие дым, не должны рассматриваться отдельно. Одновременно правильно, что дымы относятся к конденсационным оседающим аэрозолям с твердой или жидкой фазой [Фукс Н.А., 1965].
Ряд следствий задымления, которые, в частности, изменяют оптическую прозрачность среды, определяется главным образом пылеаэрозольными взвесями дымов. Токсичные свойства дымов более интегральны по отношению к составляющим их газообразным компонентам. Кроме того, молекулы дымовых газов имеют длину свободного пробега практически одинаковую с молекулами воздуха при той или иной температуре. Общепринятое значение длины свободного пробега молекул воздуха при 20 С и 760 мм рт. ст. составляет 6,53 10"8 м. Твердые и жидкие частицы дымов более неподвижны и имеют тенденцию к оседанию под действием силы тяжести. В тонких опытах Милликена (1917 г.) и Гиббса (1924 г.) показано, что в нормальных условиях изменение диаметра капелек воды от 0,1 до 1,0 мкм ведет к росту скорости оседания от 8,71 10"7 до 3,49 10"5 м с"1. При этом надо отдавать отчет, что твердые частицы дымовых взвесей должны иметь рыхлую структуру и произвольную форму.
В случае внутренних пожаров дымы являются высоко опасным для человека фактором, в которых в совокупности обнаружено более 175 химических веществ [Иличкин B.C., 1993]. В [Трушкин Д.В., Аксёнов И.М., 2001] показано, что токсичность продуктов сгорания зависит от режимов горения. Причём по выходу СО из отдельных веществ более опасен режим пламенного горения, а в других случаях - режим термоокислительного разложения. Статистика показывает, что большинство случаев гибели людей во время пожаров связано с воздействием дымов. Угроза поражения дымом проявляется в местах удаленных от очага горения. Прежде всего, сказываются отравляющее действие и потеря видимости в условиях задымления. Более 50% всех смертельных исходов при пожарах статистика относит к тому, что люди надышались густым дымом или потеряли возможность ориентироваться. Не редко потеря видимости становится причиной гибели спасателей. По данным статистики гибель людей от этих причин составляет более 72% от общего числа [Измайлов А.С. и др., 1985]. С другой стороны, появление дыма под потолком помещения может быть использовано для его обнаружения приборными методами на ранней стадии возникновения горения.
Оптические свойства дымов остаются недостаточно исследованными. Актуальность накопления данных по результатам оптического зондирования дымовых сред сохраняется в связи с проблемой ориентирования в условиях задымления, разработки новых и эффективного применения известных датчиков дыма и дымовых извещателей. Применение автоматических извещателей, расчеты времени срабатывания этих приборов на объектах защиты могут получить достаточное и необходимое обоснование через накопление данных о корреляциях между массовой и оптической плотностью дымов, спектральных свойств и устойчивости релаксационных процессов. Применение новых строительных материалов и технологических сред оставляет острым вопрос по данным о дымообразующей способности веществ и материалов. Аспект токсичности дымов будет затрагиваться только при интерпретации спектральных исследований. Работа такого плана нуждается в обобщении накопленных теоретических и экспериментальных данных за значительный научный период деятельности.
Необходимо также выполнить систематизацию различных подходов к описанию оптических характеристик дымов, упростить ее и сделать более доступной для решения инженерных задач, внести предложения в соответствующую нормативную базу, установить взаимные связи между параметрами срабатывания дымовых извещателей точечного и лучевого зондирования. Особенно важно [Родионов А.В., 2004], что при выборе средств обнаружения горения следует выделять проблему эффективного срабатывания на огонь и моделировать их устойчивость разного рода воздействиям и ложным срабатываниям.
Способ скоростной генерации дыма
Вопрос получения дымов в лабораторных условиях с целью выполнения тех или иных исследований затрагивался многими авторами [Корольченко А.Я., 2000; Исаева Л.К. и др., 1988; Смелков Г.И., 1990; Фукс Н.А., 1965; Черных И.В., 1990; Измайлов А.С. и др. 1985]. Принято два режима дымообразования: термоокислительного разложения (тления); и пламенного горения. В режиме тления в зависимости от термостойкости материалов нагрев поверхности образцов допускается в интервале 400...600 С. Материалы при этом не должны самовоспламеняться. Режим пламенного горения обеспечивают применением газовых горелок или нагреванием поверхностей образцов до температуры до 750 С. Наиболее существенным недостатком принятых способов является длительность приготовления необходимых порций дыма. Продолжительность испытания по определению дымообразующей способности определяют временем достижения минимальной освещенности, но не более 15 минут [ГОСТ 12.1.004-91 и ГОСТ 12.1.044-89]. Известно, что дым неустойчивая система, т.е. при оптических исследованиях дымовых взвесей и дымообразующей способности веществ поиск стандартов на получение дымов не завершен. Не установлена концентрационная плотность дыма, от которой зависит размерная дисперсия его частиц, продолжительность стояния изолированного дыма до контрольных замеров. Остаются не оговоренными единые для всех исследователей длина волны или спектральный интервал зондирующего излучения. В свете сказанного, важно разработать способ малоинерционного, скоростного предельного дымообразования непосредственно в объем исследования, научиться варьировать концентрацией дыма.
Естественно, что скоростная генерация дыма может быть достигнута, если небольшая масса продукта дымления будет подвергнута ударному тепловому воздействию нужной величины. Исходя из этого, в качестве устройства, позволяющего скоростное генерирование дымов, предложено использовать легкий, небольших размеров тигель, выполненный из нержавеющей, ленточной стали в форме лодочки.
Внешний вид и общая схема скоростного генератора дыма и дымовой камеры установки показана на рисунках 2.1 и 2.2. Скоростной генератор дыма встроен в объём дымовой камеры. Навеску вещества дымления размещают в лодочке-тигле 6, изготовленной из тонкой (0,3 мм) листовой нержавеющей стали. Длина и ширина лодочки соответственно 50 10 мм. Высота бортика лодочки до 1,5 мм. Под действием переменного электрического тока силой до 100 А лодочка-тигель разогревается до 710 С. Тигель зажимается между массивными губками медных электродов диаметрами по 10 мм. Контакт тигля с массивными медными деталями устройства обеспечивает его быстрое охлаждение после столь же быстрого нагревания под воздействием электрических токов регулируемых в широких пределах (от 0 до 100 А). В тигель заданных размеров укладывается навеска вещества дымления (например, органического происхождения) массой до 100 миллиграмм.
Измерительный объём установки имеет две камеры. Герметичная камера 4 непосредственно для накопления исследуемого дыма и камера 3 для размещения дымовых извещателей точечного зондирования 2. Камеры 4 и 3 сообщаются через отверстие диаметром 100 мм 1, которое может закрываться шторкой 5. Размеры дымовой камеры 400x300x500 мм, что соответствует объёму 60 литров. Герметичный пенал 3 для размещения одного автоматического обнаружителя дыма 2 имеет размеры 160x160x120 мм. Для выравнивания плотности дыма в рабочих объёмах установки применялся вентилятор 8 небольшой производительности.
Оптическое зондирование дыма в дымовой камере 4 осуществлялось источником излучения 7. В качестве зондирующего излучателя использовались гелий неоновый лазер ЛГН-703 или широкоспектральный луч осветителя теневой проекции с низковольтной лампой накаливания. Интенсивность луча регистрировалась по величине фототока в цепи диода АЛ107А. Фотоизмерительные цепи и силовая цепь гальванически независимы между собой. При работе с дымовыми извещателями последние включаются в шлейф тех или иных приёмно-контрольных приборов.
class3 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ link3
Дымообразующая способность картона и картонной пыли
Дымообразующая способность вещества является одним из важнейших показателей экологической опасности. Данный показатель необходим для разработки технических решений по обеспечению параметров эвакуации людей и работы подразделений по тушению средствами индивидуальной защиты органов дыхания [Смирнов Н.В., Дудеров Н.Г., 1997]. В частности, авторами [Черных И.В. и др., 2000, Черных И.В. и др. 2001] проведены измерения дымообразующей способности картона и картонной пыли, изъятой с мест скопления на картоноделательных машинах (КДМ) ОАО «Братсккомплексхолдинг». Также в работе были проведены измерения дымообразующей способности сушильных полотен КДМ. Выяснилось, что хлопчатобумажная основа полотна имеет среднюю дымообразующую способность 466 м2 кг"1, а шерстенная составляющая 1300 м2 кг"1.
Очевидно, что исследованные материалы относятся к продуктам с высокой дымообразующей способностью [ГОСТ 12.1.044-89]. На основании полученных данных о дымообразующей способности картона, картонной пыли и сушильных полотен авторами был предложен ряд мероприятий по противопожарной защите кузова картоноделательной машины.
В последние годы лесные пожары стали настоящим бедствием. Ежегодно от лесных пожаров страдает флора и фауна на весьма значительных территориях. Выгорают десятки тысяч гектаров лесных массивов и угодий. Не редко пожары возникают и развиваются вблизи населенных пунктов и городов [Гришин A.M., 2003]. Кроме материально-экологического ущерба одним из самых отрицательных факторов лесных пожаров является устойчивое длительное задымление атмосферы, охватывающие большие площади и объемы. Не редко населенные пункты, возле которых происходит лесной пожар, на многие сутки оказываются погруженными в дым [Гришин A.M., Фильков А.И., 2004].
Дымовая обстановка лесных пожаров влияет на работу подразделений по их ликвидации и может быть использована для своевременного обнаружения методами спектрально-оптического мониторинга лидарами, а также применением космической техники и математического моделирования [Гришин A.M., 2004]. Следует сказать, что в литературе не приводится данных об исследованиях дымообразования растительного покрова лесов, кроме древесины разных пород деревьев [РЖ Пожарная охрана, 1992, №1].
Выполнено исследование дымовых свойств ряда продуктов лесной подстилки, изъятых в конце апреля 2000 года в пригородной зоне Иркутска (в районе Синюшиной горы). Исследованы сухая трава, мхи, кора, листва и иглы деревьев — всего 10 различных продуктов растительной органики. Зондирование дымовой среды осуществлялось широкоспектральным лучом от низковольтной лампы накаливания [Черных И.В., 1990].
Следует сделать вывод, что многие компоненты лесной подстилки характеризуются средней и высокой [ГОСТ 12.1.044-89] дымообразующей способностью. Обнаруживается также нелинейная зависимость экстинкции [Ландсберг Г.С., 1976] взаимодействия света с дисперсными средами исследованных дымов от их концентрации.
Очень важной проблемой на данный момент является измерение дымооб-разования веществ и материалов современной квартиры и транспортных средств. Обеспечение безопасности строительных материалов и мебели в квартирах нуждается в постоянном внимании. Важное значение имеет прогнозирование развития опасных факторов при возникновении горения в границах жилых секций и многоквартирных домов в целом. В настоящее время практически нет данных об экологической опасности веществ и материалов, из которых выполнены предметы бытового обихода.
Остаются неизвестными экологические последствия пожаров в жилых секторах многоэтажной застройки с высокой плотностью населения. Авторами [Черных И.В. и др., 2000] выявлено, что в современной квартире наиболее часто встречаются такие материалы, как древесностружечная плита (ДСП), целлюлоза, шерсть, хлопок, полистирол, поливинилхлорид, кожа, пенополиуретан, нейлон, пенополистирол. Установлено, что вещества и материалы, обращающиеся в современных квартирах, обладают по [СНиП 21-01-97 ] высокой ды-мообразующей способностью, т.е. когда Дт 500 Нп м кг . Полученные опытным путем значения Дт приведены в таблице 15.
