Mlhová stabilní hasicí zařízení pro protipožární ochranu objektů a technologií (1. část)
Mlhová stabilní hasicí zařízení jsou vyhrazenými druhy stabilních hasicích zařízení (SHZ), která naházejí stále širší uplatnění v ochraně objektů a technologií. Hasicí účinky vycházejí z teorie malé kapky. Třídílný seriál uvádí historii vývoje mlhových SHZ v ČR a ve světě, hlavní komponenty, systémové řešení, specifiku navrhování, rozsah použití a typické aplikace včetně prostředků pro ruční hašení vodní mlhou. Jde o komplexně pojatou informaci reflektující dosažený stav v oblasti hašení vodní mlhou a očekávané vývojové trendy. V první části třídílného seriálu se podíváme do historie a na názorné příklady hašení vodní mlhou.
Úvod
Mlhová hasicí zařízení, ať už v mobilním nebo stabilním provedení, nejsou v ČR převratnou technologií. Toto konstatování se týká především mobilních mlhových hasicích zařízení, která se v ČR používají od sedmdesátých let minulého století a jsou s nimi dlouholeté praktické zkušenosti. Co všechno lze očekávat od bezpočtu variant mlhových stabilních hasicích zařízení (dále jen mlhových SHZ) uváděných na trh pod obchodními názvy, které modifikují slova fog, mist, drop nebo fine spray?
1. Historie
Počátky mlhových SHZ spadají do začátku 20. století. K jejich vývoji přispěla i Česká republika. Za připomínku stojí publikace zaměřená na tuto problematiku, která vyšla v roce 1961. Popisuje jedny z prvních ohňových zkoušek v tehdejším SSSR na nádržích o průměru 11 m a zkoušky v tehdejším n.p. THZ na nádrži o průměru 3 m. Ověřovala se účinnost mlhových SHZ při hašení hořlavých kapalin. Potvrdilo se, že hašení mlhou je v této aplikaci velmi účinné. V osmdesátých letech probíhal v tehdejším n.p. Karosa vývoj mlhového SHZ na ochranu kabelových kanálů, který byl úspěšně ukončen ohňovými zkouškami. Získané poznatky byly následně využity při vývoji mlhových systémů tehdejší firmy Total Walther. Představení tohoto systému s hubicemi MicroDrop se uskutečnilo ve firmě SHZ Vysoké Mýto v roce 1995. V této souvislosti nelze opominout ani dlouholeté zkušenosti jednotek PO v ČR s hašením vodní mlhou ručními mlhovými proudnicemi, později vysokotlakými a středotlakými pistolovými proudnicemi. Ty se nejdříve objevily na kombinovaných hasicích automobilech KHA 3/2,5/2 – T148 (T815) dovážených od firmy Rosenbauer z Rakouska. O několik let později se staly standardní výbavou požárních automobilů CAS K25 - Š101(L101) a RZA. V prvním případě to bylo čtyřicetibarové čerpací zařízení, v druhém unikátní kombinované čerpací zařízení sestavené ze dvou standardních nízkotlakých čerpadel s tlakem 12 bar resp. 24 bar. Tato orientace na hašení mlhou byla v Evropě ojedinělá, a to i ve srovnání s Německem a Rakouskem. Tam byla kombinovaná čerpadla součástí vybavení jenom speciálních požárních automobilů.
K velkému rozšíření stabilních mlhových zařízení došlo v Evropě až v osmdesátých letech minulého století. Nejdříve v námořních aplikacích a následně v aplikacích pozemních. Významným impulsem pro rozšiřování mlhových SHZ se stala restriktivní opatření používání halonů. Při hledání vhodných náhrad splňujících požadavky na tzv. čistá, ekologicky nekonfliktní hasiva se jako jedna z akceptovatelných alternativ ukázala vodní mlha. Vývoj postupoval od mlhových SHZ nízkotlakých, která navazovala na sprejová SHZ k zařízením vysokotlakým s tlakem na výstřikové koncovce cca 100 bar až 150 bar. V současné době je na trhu široká nabídka nejrůznějších mlhových SHZ, která se liší technickými parametry a použitými komponenty.
2. Hašení vodní mlhou
Podle definice v technické specifikaci ČSN P CEN/TS 14972 [5] se za vodní mlhu považují rozprášené kapky vody, jejichž průměr Dv0,90 měřený v rovině 1 m od hlavice/hubice je při minimálním provozním tlaku menší než 1 mm. Jinými slovy, v měřeném vzorku vodní mlhy musí být v 90 % kumulovaného objemu kapky menší než 1 mm. Pro srovnání, u sprchového proudu vytvářeného sprinklery jsou kapky o průměru cca 1 mm až 3 mm. V anglosaské literatuře se lze setkat se dvěma termíny pro vodní mlhu, a to „mist“ a „fog“ [8]. Často se zaměňují a v případě označení mlhových SHZ různě kombinují.
Teorie malé kapky
Je jednoduše představitelné, že s menším průměrem kapky se zvětšuje, při stejném množství vody, počet kapek ve výstřikovém proudu. Tím se zvětšuje i plocha, která rozhoduje o rychlosti přeměny kapky na páru. Uvádí se, že měrná tepelná kapacita sprchového proudu s kapkami o průměru 0,1 mm je 12 W/kg.K až 13 W/kg.K. U kapek s průměrem 0,5 mm jenom 1 W/kg.K [8].
Ohlazování a přeměna kapky na páru probíhá ve dvou fázích:
- první fáze, kdy se kapka zahřívá na teplotu 100 °C. K tomu je potřeba tepelná energie 335 KJ/kg pro vodu o teplotě 20 °C,
- druhá fáze, kdy se kapka zcela odpaří. K tomu je potřeba 2,26 MJ/kg.
Za optimálních podmínek může tudíž 1 kg vody přeměnou na páru odebrat tepelnou energii až 2,6 MJ. Kromě toho doprovází tuto přeměnu skupenství vznik páry, kdy se z jednoho litru vody vytvoří 1700 l páry. To způsobí snížení obsahu kyslíku v prostoru plamenného hoření.
Pokud dojde k poklesu obsahu kyslíku pod určitou hranici, která je pro různé hořlavé látky různá, dochází k uhašení požáru. Odnímané teplo ochlazuje plameny, zplodiny hoření, kouř, hořlavou látku a okolní vzduch. Další kapky, které jsou mimo zónu plamenného hoření zamezují, pokud jsou dostatečně malé, šíření sálavého tepla s vedlejším efektem chlazení. Současně je třeba v chráněném úseku počítat s přisáváním zplodin hoření a kouře zpět do ohniska požáru, což dusivý účinek ovlivňuje – pozitivně nebo negativně.
Při hašení reálného požáru je proces hašení ovlivněn řadou dalších faktorů. Jako dominantní se uplatňuje obvykle jeden z dále uvedených účinků – dusivý nebo chladící. Optimální souběh obou účinků je spíše ojedinělý.
| Průměr kapky [mm] | Počet kapek | Plocha m2 z 1 l | Poznámka |
|---|---|---|---|
| 10 | 1,9 × 103 | 0,6 | |
| 1 | 1,9 × 106 | 6 | sprinkler |
| 0,1 | 1,9 × 109 | 60 | vysokotlaká mlha |
| 0,01 | 1,9 × 1012 | 600 | vysokotlaká mlha |
Hasicí účinky
Základní účinky jsou:
- chladící,
- dusivý,
- omezeni šíření sálavého tepla.
Sekundární účinky jsou:
- kinetický,
- nařeďovací.
Obr.1 Porovnání velikosti kapek vodní mlhy pro hašení hořlavých kapalin a pevných látek (nahoře) a proces hašení mlhou v uzavřeném a větrném prostoruChladící účinek se projevuje odváděním tepla ze zóny plamenného hoření, paliva a okolních předmětů. Nejúčinnější je při přeměně kapek na páru. O tom rozhoduje intensita dodávky a schopnost kapek proniknout proudem zplodin hoření do zóny plamenného hoření. U pevných látek je třeba smočit a ochlazovat jejich povrch, aby se přerušil proces pyrolýzy. To zajistí pouze kapky o průměru větším než 0,4 mm.
Dosáhnout úspěšného hašení pevných látek předpokládá co nejrychlejší uvedení mlhového SHZ do činnosti před vznikem hloubkového požáru doprovázeného žhnutím. Hašení rozvinutého hloubkového požáru by vyžadovalo intenzivní chlazení, které od vodní mlhy nelze pod zónou plamenného hoření očekávat.
Naopak u hořlavých kapalin stačí ochlazovat plameny a zplodiny hoření. Optimální jsou v tomto případě kapky s průměrem menším než 0,4 mm. Hořlavé kapaliny s bodem vzplanutí vyšším než 20 °C jako je motorová nafta mohou být uhašeny s využitím chladícího účinku. U hořlavých kapalin s nižším bodem vzplanutí jako je heptan by tento účinek k uhašení nestačil. Nedokázal by ochladit povrch hořlavé kapaliny a okolních předmětů natolik, aby nedošlo k znovuvzplanutí. Účinné uhašení těchto hořlavých kapalin je proto podmíněno účinkem dusivým.
Dusivý účinek je založen na přeměně vody v páru a s tím souvisejícím snižováním obsahu kyslíku jako jedné z podmínek hoření. Optimální pro dosažení tohoto účinku by bylo provádět hašení v uzavřeném nevětraném prostoru. V praxi je třeba počítat většinou s prostorem více či méně větraným. Efekt uzavřeného prostoru lze očekávat pouze u požárů s velkou tepelnou energií (ve vztahu k velikosti prostoru), která zajistí vytvoření intenzívního dusivého účinku, čímž dojde k eliminování reálných netěsností chráněného prostoru spojených s přisáváním čerstvého vzduchu do ohniska požáru. Samozřejmou podmínkou je použití hubic/hlavic které vytvářejí kapky s dostatečnou kinetickou energií schopné proniknout do zóny plamenného hoření proti proudu tepelného toku, proudu zplodin hoření a vztlaku fronty plamenů.
V případě tzv. malého požáru (ve vztahu k objemu uzavřeného prostoru) je hašení méně účinné stejně jako u větraného prostoru. Jedná se např. o místnosti s velkou výškou a objemem a prostory s intenzivní výměnou vzduchu. Zejména však jde o hašení venkovních požárů, u kterých nelze očekávat pokles obsahu kyslíku v zóně hašení z důvodu intenzivního přisávání čerstvého vzduchu do ohniska požáru.
S efektem „uzavřeného“ prostoru souvisí i náhlé změny tlaku během hašení. Při objemovém hašení vodní mlha proniká vrstvou horkých plynů a způsobuje jejich rychlé ochlazení. Změna objemu vrstvy plynu vyvolává podtlak v chráněném prostoru. V závislosti na teplotě a hloubce vrstvy plynů může způsobit i prasknutí oken nebo poškození stěn. Tento účinek je možné eliminovat rychlým uvedením mlhového SHZ do činnosti.
Omezení šíření sálavého tepla. Zkouškami se prokázalo, že menší kapky intenzivně zamezují šíření sálavého (radiačního) tepla. Schopnost vodní mlhy blokovat radiační záření je zvlášť patrná u kapek menších než 0,05 mm. Očekávat tento efekt v obdobné intensitě od sprinklerové ochrany je nereálné.
Kinetický účinek mlhy na plameny spočívá v omezení rychlosti čela fronty plamenů. Může mít pozitivní vliv na předejití destrukce stavební konstrukce přetlakem. U reálné instalace nelze však vyloučit ani negativní jev, ke kterému dojde při turbulentním proudění nebo nepřiměřeně vysoké rychlosti výstřikového proudu vodní mlhy. To má za následek intenzivní přisávání čerstvého vzduchu do ohniska požárů, což může zvýšit jeho tepelný výkon. Mlhové SHZ pak působí jako akcelerátor požáru a není schopné požár uhasit. To potvrzují i zkušenosti hasičů z praktického používání pistolových proudnic na vysokotlakou nebo středotlakou mlhu. V některých případech je požár intensivnější než při volném rozvoji.
Nařeďovací účinek. Tento jev je těžko kvantifikovaný. Vyskytuje se u hořlavých kapalin, které mají bod vzplanutí vyšší než 60 °C.
| Teplo [kW] | Nízký tlak | Vysoký tlak | ||
|---|---|---|---|---|
| objekt | stavební konstrukce | objekt | stavební konstrukce | |
| ≤ 400 | 32 | 25 | 40 | 30 |
| 400–1000 | 55 | 40 | 60 | 45 |
| ≥ 100 | 75 | 55 | 80 | 65 |
Objemová a lokální ochrana
Obr. 2 Způsoby ochrany objektů a stavebních konstrukcí mlhovými SHZ
Objemová ochrana je určená pro „zaplavení“ uzavřeného prostoru otevřenými mlhovými hubicemi. V tomto smyslu jde o obdobu s plynovým hasicím zařízením. Vodní mlha a inertní plyny jsou však zcela odlišná hasiva. Plyn zaplavuje chráněný prostor v celém objemu včetně skrytých ohnisek požáru. U vodní mlhy k tomu dochází jenom za určitých okolností. Kromě jiného, v chráněném prostoru se musí dosáhnout teplota 70 °C až 85 °C. Značný vliv na „zaplavení“ i skrytých ohnisek má stupeň rozprášení vody resp. velikost kapek v mlhovém proudu.
Při objemové ochraně je potřeba menší intensita dodávky než u ochrany konkrétního objektu, a to z následujících důvodů:
- vodní mlha se aplikuje v uzavřeném prostoru bez snižování intensity dodávky,
- účinnost hašení zvyšují zplodiny hoření a zahřátý okolní vzduch, které se přisávají do ohniska požáru.
Lokální ochrana je určená především pro ochranu konkrétních technologických zařízení s předpokládaným ohniskem požáru, jako jsou obráběcí stroje, lakovací linky transformátory, turbogenerátory a pod. Přichází v úvahu tam, kde nelze vytvořit dostatečný efekt uzavřeného prostoru nebo by bylo pro hašení potřeba neúměrné množství hasiva. Například u venkovních požárů nebo malých požárů ve velkých prostorech. Rychlý rozvoj venkovních požárů je nutné eliminovat zvýšenou intensitou dodávky a vhodně rozmístěnými hubicemi. Důvodem je, že:
- vodní mlha se rozptyluje mimo ohnisko požáru, zejména při proudění vzduchu nepřiměřenou rychlostí,
- do ohniska požáru se přisává bez omezení čerstvý vzduch, což vede k eliminování dusivého účinku a naopak k podpoře intensivního hoření.
Reálná hasicí schopnost
Z uvedených, pouze některých zásadních poznatků, je patrná složitost hašení vodní mlhou. Je zřejmé, že teorie malé kapky je pouze jedním z mnoha faktorů majících vliv na účinné hašení nejrůznějších hořlavých látek v obtížně, univerzálně definovatelných aplikačních podmínkách.
Průkazem hasicí schopnosti mlhového SHZ jsou pouze a jedině ohňové zkoušky individuálně prováděné pro každou aplikaci podle stanoveného zkušebního postupu. Jejich výsledky jsou nepřenosné na jiné systémy a jejich interpretaci mohou provádět jenom zkušební laboratoře. Tyto zkoušky nelze nahradit žádnými teoretickými úvahami.
hubice/hlavice + potrubí + čerpadlo ≠ účinný mlhový systém
Parametry výstřikové hubice/hlavice
Obr.3 Hlavní parametry ovlivňující hasicí schopnost mlhového SHZ
Z hlediska teorie hašení vodní mlhou patří k hlavním parametrům mlhových hubic a hlavic zejména:
- velikost kapek,
- intensita dodávky,
- rychlost výstřikového proudu.
Velikost kapek. Pro úspěšné hašení nejsou ty nejmenší kapky vždy nejúčinnější. S tím souvisí i pracovní tlak, který má spolu s konstrukcí výstřikové hubice/hlavice největší vliv na velikost kapek. Ten má svůj limit na hodnotě cca 200 bar. Při vyšších tlacích nedochází již k výraznějšímu zvýšení hasicí schopnosti. Naopak, je spojeno s velkou energetickou náročností a vyšší cenou vysokotlakého čerpadla.
Intensita dodávky. V případě hašení vodní mlhou se obvykle udává v g/m3, l/min.m3, nebo v l/min.m2. U zaplavovacích systémů je snaha dosáhnout max. možnou homogennost vodní mlhy v celém chráněném prostoru. Prakticky to není zcela možné. To se týká například skrytých ohnisek požáru nebo vzdálenějších míst od výstřikových koncovek. Názorným příkladem jsou výsledky ohňových zkoušek nízkotlakého mlhového SHZ určeného pro ochranu ponorek. Ačkoliv návrhová intensita dodávky byla 15 l/min.m2, pod hubicí bylo 17,2 l/min.m2, na vnější straně výstřikového kužele 3 l/min.m2 a mezi hubicemi 6,6 l/min.m2. To se projevilo na výsledcích ohňových zkoušek. Požár heptanu a nafty situovaný pod hubicí byl uhašený za 10 s. Pokud bylo ohnisko požáru mezi hubicemi, heptan se nepodařilo uhasit vůbec a naftu až za podstatně delší dobu.
Obr. 4 Závislost měrné hmotnosti vodní páry (g/m3) na teplotě
Výzkum zaměřený na zvýšení bezpečnosti jaderných elektráren přinesl poznání, že max. hustota vodní páry při 20 °C je 20 g/m3 a vodní mlha tvořená velmi malými kapkami o průměru 0,01 mm má mez „udržitelnosti“ v prostoru po dobu 60 s při hustotě 100 g/m3. Při průměru kapek 0,025 mm jenom při hustotě 60 g/m3. Při vyšší intensitě dodávky se kapka ve vzduchu neudrží a gravitací padá k zemi. K dosažení dusivého efektu obdobného jako u inertních plynů je ke spolehlivému uhašení požáru potřebná minimálně intensita dodávky 170 g/m3. Pro požár s tepelným výkonem větším než 1 MW musí být intensita dodávky 350 g/m3. Jak vyplývá z grafu, hustoty vodní mlhy na teplotě je možné dosáhnout těchto hodnot u vodní mlhy až při teplotě cca 70 °C až 85 °C. To vysvětluje, proč je při hašení vodní mlhou důležitý efekt uzavřeného prostoru a relativně velký požár. Pozn.: Vodní mlha v přírodě má hustotu pouze 3 g/m3. Proto nemůže významněji ovlivnit hašení venkovních požárů.
Pokud jde o intenzitu dodávky, považuje se za minimální hodnotu obvykle 0,5 l/min.m2. U sprinklerové ochrany je to 2,25 l/min.m2.
Rychlost výstřikového proudu potažmo kinetická energie mlhového proudu je rovněž závislá na konstrukci hubice/hlavice a tlaku. Vhodným rozmístěním mlhových hubic/hlavic se dosáhne, zejména u lokálního hašení, aby kapky doletěly až do zóny plamenného hoření a u pevných látek až na jejich povrch. Výstřiková rychlost nesmí být z tohoto důvodu příliš nízká. Na straně druhé ani vysoká, aby nedocházelo k turbulentnímu proudění s intenzivním přiváděním čerstvého vzduchu do ohniska požáru. Velká rychlost mlhového oblaku s kapkami většího průměru by mohla mít za následek i rozvíření hladiny hořlavé kapaliny nebo její větší rozlití po podlaze.
Aditiva většinou slouží ke zvýšení hasicí účinnosti. Především při hašení plastů a hořlavých kapalin. Obvykle se k tomuto účelu používají pěnidla typu AFFF (Aqueous Film Forming Foam). Kromě toho se používají aditiva také k:
- ochraně proti zamrzání,
- zamezení zhoršení kvality vody – biologickému rozpadu vody v zásobnících,
- zabránění korozi.
Obr. 5 Viditelnost ve zkušební místnosti při hašení vysokotlakou vodní mlhou
Obr.6 Výstřikový proud sprinkleru (vlevo) a nízkotlaké mlhy (vpravo)
Obr. 7 Porovnání hmotnosti zařízení a vody k hašení v závislosti na druhu vodního SHZ
V další části seriálu se podíváme na druhy a systémová řešení mlhových SHZ, na hlavní komponenty a navrhování mlhových SHZ. Seznam literatury a závěr najdete na konci celého seriálu.
Water mist fixed firefighting systems are dedicated types of stationary fire extinguishers, which are increasingly widespread in the protection of objects and technologies. Extinguishing effects are based on the theory of a small drop. The three-part series presents the history of fog water mist development in the Czech Republic and the world, the main components, the system solution, the design specifics, the range of applications and typical applications including the hand watermist fire extinguishing equipment . It is a comprehensive concept that reflects the state of water mist elimination and the prospective trends. In the first part of the three-part series we look at history and illustrative examples of water mist fighting systems.