Zvýšení hasebního účinku vodní mlhy elektrizací
Příspěvek popisuje hasební experimenty k ověření možnosti zvýšení hasební účinnosti nízkotlaké, středotlaké a vysokotlaké vodní mlhy jejím nabitím elektrickým polem vysokého stejnosměrného napětí. Výsledky experimentů potvrdily vlivy velikosti elektrického napětí, konfigurace elektrod (anody, katody), velikosti objemového průtoku vody, tlaku vody a typu mlhové hlavice. Vyšší hasební účinek elektricky nabité vodní mlhy se vykazoval kratšími dobami uhašení, menším objemem vody k uhašení požáru a vyšším procentem úspěšných hasebních pokusů. Přínos: rychlejší a efektivnější hašení požáru s menším rizikem zranění osob a nižšími následnými škodami v chráněném prostoru.
Úvod
Jedním ze známých způsobů hašení požárů je hašení vodní mlhou. Po zákazu halonových hasiv Montrealským protokolem a hledání účinných alternativ k plynným hasivům se v posledním desetiletí začala dynamicky prosazovat polostabilní a stabilní hasicí zařízení sprinklerová, rozptylující pomocí sprinklerových hlavic respektive hubic vodu ve formě sprchy, a dále mlhová s mlhovými tryskami vytvářejícími sprej vodní mlhy. Článek velmi stručně charakterizuje hasební účinky vodní mlhy a podrobněji seznamuje s výsledky experimentů spočívajících v působení elektrického pole stejnosměrného vysokého napětí na vodní mlhu s cílem zvýšit její hasební účinnost.
1. Hasební účinky vodní mlhy
Vodní mlha je vodní sprej sestávající z vodních kapek, jejichž průměr Dv0,90 měřený v rovině 1 m od hlavice při minimálním provozním tlaku je menší než 1 mm [2]. Dv0,90 je takový průměr kapky (µm), že z 90 % je celkový objem vody v kapkách menšího průměru. Mlhová hasicí zařízení se podle tlaku člení na vysokotlaká (VT), kdy tlak p ≥ 34,5 bar, středotlaká (ST) s tlakem 12,5 < p < 34,5 bar a nízkotlaká (NT) s tlakem p ≤ 12,5 bar. Jejich spotřeba vody je až o 90 % nižší než u sprinklerových stabilních hasicích zařízení. V důsledku toho vykazují nižší následné škody na vnitřním vybavení a stavbě. Protože jsou účinnější, dosahují též nižších dob uhašení. Významný vliv na has. účinnost mají též: – velikost kapek (mm) a jejich rozdělení podle velikosti ve sprchovém/sprejovém proudu, – průtok vody na jednotku plochy požáru (l/min.m2), – směr proudění spreje mlhy, – proudění okolního prostředí, – sprejový moment vzhledem k plameni.
Studie [12] potvrdily následující hlavní vlastnosti respektive mechanismy hasební účinnosti vodní mlhy. Má zejména vysoký chladící a inertizační účinek. Chladící účinek se projevuje v odnímání tepla ze zóny hoření a jejím ochlazením pod reakční teplotu hoření: voda má měrnou tepelnou kapacitou cp = 4,2 J/(g.K) a latentní výparné teplo φ = 2442 J/g. Chladící účinek je výraznější u hořlavých kapalin s bodem vzplanutí nad okolní teplotou, například nafty s bodem vzplanutí (BV) cca 55 °C, méně výrazný je u hořlavých kapalin s bodem vzplanutí pod běžnou teplotu okolí, například heptanu cca −4 °C, a u pevných hořlavých hmot tvořících uhlíkatý zbytek. Inertizační účinek v důsledku vytěsňování kyslíku ze zóny hoření vodní párou vzniklou rychlým vypařením jemných vodních kapek, kdy jejich objem vzroste cca 1900× při 95 °C a 1 at barometrického tlaku, závisí též na typu hořlavé látky. Látky na bázi uhlovodíků hoří při koncentracích O2 ještě pod 13 % obj., zatímco látky s uhlíkatým zbytkem hoří ještě pod 7 % obj. O2. Je též zřejmé, že když hoří větší hořlavý soubor, spotřebuje v uzavřeném prostoru rychleji přítomný kyslík než na otevřeném prostranství.
Pokud jde o izolační účinek blokující působení sálavého tepla z plamenů na dosud nehořící hořlavé povrchy, opět lze uvažovat, že tento účinek se méně projeví například u hořících hořlavých kapalin s bodem vzplanutí pod běžnou teplotu okolí. Studie [12] potvrdily, že snížení sálání je < 10 % pokud průměr vodních kapek je > 100 µm, zatímco kapky s velikostí < 50 µm mohou dosáhnout pokles sálání > 50 %. Nelze se nezmínit o výhodách vodní mlhy k hašení v porovnání s jinými has. systémy: – není toxická, – neznečisťuje živ. prostředí,– způsobuje minimální následné škody, – má vysokou účinnost na určité požáry v porovnání s jinými hasivy.
Problematikou navrhování, konstrukce a provozu mlhových hasicích zařízení se zabývá řada platných mezinárodních a národních norem včetně ČSN, viz například normy [1]–[8].
Hasicí zařízení sestávají podle těchto norem z komponent pro detekci požáru, aktivaci hasicího zařízení, zdroje vody, čerpadel nebo kovových tlakových lahví s plynným propelentem, potrubních rozvodů s armaturami, ventilovou stanicí a tryskami / hlavicemi / hubicemi pro roztříštění vody na malé kapky definované velikosti.
Žádná z uvedených norem však neřeší zvýšení hasební účinnosti vodní mlhy pomocí elektrického pole. V odborné literatuře nebyla nalezena reference o konkrétních praktických aplikacích těchto hasicích zařízení se zvýšenou účinností pomocí elektrického pole.
2. Elektrizace plamene a vodní mlhy – možné technické řešení
Dalším stále studovaným jevem je hoření a interakce elektrického pole s plameny bez přítomnosti komerčního hasiva. Proces hoření sestává z chemických reakcí iniciace, propagace, větvení a terminace. Radikály se těchto reakcí zúčastňují. V plameni jsou nejvíce zastoupeny zejména kationty, koncentrace aniontů a volných elektronů je mnohem menší. Ve svítící zóně plamene však převládají anionty. Elektrické pole působící na plamen vyvolává tak zvaný iontový vítr, což je pohyb radikálů, iontů včetně volných elektronů působením coulombovských elektrostatických sil elektrického pole. Při jejich pohybu dochází ke srážkám s neutrálními molekulami. Dále elektrické pole působící na plamen vyvolává chemický účinek následujícím mechanismem: volné elektrony působením elektrického pole zvýší svou energii a tu po srážce, například s kyslíkovými molekulami O2, jim předávají, ty zvyšuji svou vibrační energii a tím i rychlost primární reakce hoření uhlovodíků. Interakce mezi plameny a elektrickými poli bez přítomnosti hasiva je stále předmětem zájmu jak základního, tak i aplikovaného výzkumu.
Obr. č. 1 Ukázka zkušebního zařízení v okamžiku uhašení hořícího n-heptanu v plechovém tácu
Ke zvýšení hasební účinnosti nízkotlaké (NT), středotlaké (ST) a vysokotlaké (VT) vodní mlhy u polostabilních a stabilních hasicích zařízení pomocí elektrického pole bylo autory vyvinuto a experimentálně odzkoušeno zařízení ve zkušebnách TÚPO Praha (VT) a ČVUT Praha – UCEEB v Buštěhradu (NT a ST). Zařízení je opatřeno jednou či více mlhovými tryskami s definovanou velikostí vodních kapek při daném pracovním tlaku napojen/ou/ými na vodovodní potrubí s ventily. Je tvořeno generátorem stejnosměrného vysokého napětí (SVN) s nastavitelným výstupním napětím do 25 kV, který je umístěn mimo chráněný prostor. Ke kladnému pólu generátoru je připojena elektrickým kabelem, vedeném v trubkovém nosníku, kladná elektroda. K zápornému pólu generátoru je připojena elektrickým kabelem, též vedeném v trubkovém nosníku, záporná elektroda. Osy kladné a záporné elektrody leží v ose každé mlhové trysky. Kladná elektroda je tvořená kovovým páskem ve tvaru prstence o minimálním vnitřním průměru cca 10 cm, maximální šířce cca 20 mm a tloušťce v rozmezí 1 mm až 2 mm. Tento pásek je dále opatřen kovovými vruty zakotvenými do prstence ve stejné vzdálenosti od sebe a špičkami směřující dovnitř prstence; na vnitřní část pásku je připevněn proužek drátěné sítky s drátky vyčnívajícími nad a pod pásek po celém obvodu o (1–2) mm. Kladná elektroda je umístěná svou plochou kolmo na osu paraboloidu vodní mlhy proti ústí mlhové trysky, a to ve vzdálenosti, která zabezpečuje průchod minimálně ¾ tryskajícího mlhového spreje vnitřkem prstence. Záporná elektroda je tvořena 3- až 4zubcem. Ten je vytvořen z rovných kovových drátů paprskovitě směřujících do hašeného prostoru. Délka drátů je 70 mm až 100 mm, průměr je 1 mm až 2 mm a konce těchto drátů jsou upraveny do špičky, Vrchol n-zubce je umístěn v odexperimentované vzdálenosti od ústí dané mlhové trysky. U každé použité mlhové trysky je použita jedna kladná a jedna záporná elektroda, které jsou připojeny na společný generátor stejnosměrného vysokého napětí, viz obr. 1 a z nichž jedna je uzemněna.
Výhodou takto navrženého zařízení k elektrizaci vodních kapek v kuželi vodní mlhy tryskající z mlhových trysek NT, ST a VT mlhového hasicího zařízení je výrazné zvýšení jeho hasebního účinku na uhlovodíkové plameny, projevujícího se podstatně nižšími časy uhašení, a tím i podstatně nižší spotřebou vody oproti hašení stejného scénáře požáru stejným mlhovým hasicím zařízením, ale bez působení elektrického pole.
Zařízení ke zvýšení hasební účinnosti VT, ST a NT vodní mlhy je realizovatelné u polostabilních a stabilních hasicích zařízení, která mají alespoň jednu mlhovou trysku s definovanou velikostí vodních kapek při daném tlaku.
Tyto mlhové trysky jsou obvyklým způsobem napojeny na vodovodní potrubí opatřené ventily Při experimentech byly použity: – VT vodní čerpadlo, – ultrazvukový průtokoměr PortoSonic 7000, – a mebránový manometr fy Concept s rozsahem (0–16) bar. Při experimentech byl užit elektrický stejnosměrný zdroj/generátor PZVN 01, napájitelný ze sítě 230 V/50 Hz.
Generátor je vybaven spínačem, jehož sepnutí se upřednostňuje systémem elektrické požární signalizace (EPS) reagujícím na vznik požáru, nebo ručním zapnutím personálem, který zpozoruje požár.
Je zřejmé, že VT, ST a NT mlhové trysky stabilního nebo polostabilního hasicího zařízení musí být navrženy tak, aby hasební spreje vodní mlhy zcela pokrývaly potenciální plochu respektive objem požářiště v potřebném čase. Elektrické kabely napájecí elektrody jednotlivých trysek jsou svedeny do svorkovnic pro plus a mínus pól, případně kladná elektroda propojená s mlhovou tryskou byla uzemněna. Svorkovnice jsou propojeny s generátorem stejnosměrného vysokého napětí.
Vodovodní potrubí s ventilem přivádí vodu do mlhové trysky pod tlakem například (5–16) bar a s průtokem např. (4–6,5) l / min, přičemž teplota je vody 20 °C. Elektrické pole vytvořené mezi zápornou elektrodou a kladnou elektrodou vysokým stejnosměrným elektrickým napětím přiváděným kabely z VN generátoru nabíjí jemné kapky vodní mlhy, které interakcí s plameny účinně narušují řetězové chemické reakce hoření v nich probíhajících, a tak výrazně zvyšují chladící a izolační hasicí účinek samotné vodní mlhy. Generované proudy jsou řádově v mikroampérech, a tak nevzniká nebezpečí od elektrického zkratu respektive výboje mezi sprejem vodní mlhy a vodivými předměty, které jsou v chráněném prostoru s mlhou v kontaktu, ani nebezpečí úrazu pro personál při náhodném zasažení mlhou. Experimenty byly realizovány v uzavřeném zkušebním prostoru při atmosférickém tlaku, teplotě ovzduší (19–21) °C a relativní vlhkosti ovzduší (40–53) %.
Závěr
Při pracovním napětí generátoru stejnosměrného vysokého napětí od 5 do 10 kV na elektrodách byly zhášecí doby při opakovaných zkouškách v průměru od 3 s (VT) do 20 s (NT, ST) od okamžiku výstřiku hasiva. Při vypnutí stejnosměrného vysokého napětí k uhašení stejného scénáře požáru za stejných zkušebních podmínek nedošlo za 1 min.
Na základě kladných výsledků z experimentů byly ÚPV Praha přijaty přihlášky užitných vzorů, a zapsány do rejstříku [9], [10], viz též § 12 platného zákona č. 478/1992 Sb. [11].
Přínos popsaného technického řešení je zřejmý: rychlejší a efektivnější hašení požáru s menším rizikem zranění osob a nižšími následnými škodami v chráněném prostoru.
Poděkování
Práce vznikla v rámci projektu MV ČR, č. VI20162019034 „Výzkum a vývoj ověřených modelů požáru a evakuace osob a jejich praktické aplikace při posuzování požární bezpečnosti staveb“ na UCEEB ČVUT Praha a dále za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605-UCEEB- fáze udržitelnosti a ČVUT SGS16/076/OHK3/1T/13.
Použitá literatura
- NFPA 750: 2015. Standard on Water Mist Fire Protection Systems.
- CEN/TS 14972: 2011. Fixed firefighting systems. Water-mist systems. Design and installation.
- ČSN P CEN/TS 14972: 2012. Stabilní hasicí zařízení. Mlhová zařízení. Navrhování a instalace.
- FM 5560: 2012. Water Mist Systems.
- ANSI/UL 2167: 2011. Standard for Safety for Water Mist Nozzles for Fire-Protection Service.
- FM DS 4-2: 2006. FM Global Data Sheet. Water Mist Systems.
- DD 8489 (UK) Fixed fire protection systems. Industrial and commercial water-mist systems. Code of practice for design and installation. 2011.
- APSAD D2 : 2007. Guide pour l'installation de systèmes de protection incendie par brouillard d'eau..
- Užitný vzor CZ 29 023 U1. Úřad průmyslového vlastnictví, 2015-12-28.
- Užitný vzor CZ 30 012 U1. Úřad průmyslového vlastnictví, 2016-11-15.
- zák. č. 478/1992 Sb., o užitných vzorech
- G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire Suppression by water sprays. Fire Saf. J., 26, 2000, 79-130.
This paper describes extinguishing experiments to verify the possibility of increasing the efficiency of extinguishing low, medium and high pressure water mist charging by the electric field of high DC voltage. The experimental results confirmed the effects of the electrical voltage, the configuration of electrodes (anode, cathode), the volumetric water flow rate, water pressure and the type of mist nozzle. Higher extinguishing effect electrically charged water mist to extinguish showed a shorter times to extinguishment, a smaller volume of water to extinguish the fire and extinguishing a higher percentage of successful attempts. Benefit: faster and more efficient fire- fighting with less risk of injury and less consequential damages in a protected space.