Экспериментальное исследование огнетушащей способности модульных установок пожаротушения тонкораспыленной водой, модифицированной астраленами

Введение. Целью исследования было изучение влияния одного из видов углеродных наноструктур, астраленов, на процессы тушения пламени нефтепродуктов тонкораспыленной водой.
Материалы и методы исследований. Объектом исследования являются огнетушащие суспензии, применяемые в модульных установках пожаротушения тонкораспыленной водой (МУПТВ) для тушения пожаров нефтепродуктов. В качестве исследуемого огнетушащего вещества использовалась дистиллированная вода, модифицированная астраленами с концентрацией наноструктур от 0,05 до 1,0 об. %. Экспериментальная часть включала исследование теплофизических характеристик огнетушащих жидкостей: плотности, динамической вязкости, поверхностного натяжения, удельной теплоты парообразования. Также были проведены исследования по определению скорости испарения, распределения размеров капель распыленных огнетушащих составов и времени тушения модельного очага возгорания нефтепродуктов.
Результаты исследования. Диспергирование наноструктур в составе огнетушащих жидкостей позволяет увеличить их плотность, поверхностное натяжение на 20,6 %, удельную теплоту парообразования при концентрации астраленов 0,25 и 0,5 об. % и динамическую вязкость при температуре 20 °С на 6,68…15,38 %. Проведены исследования по определению скорости испарения капель модифицированной огнетушащей жидкости. Установлено, что при повышении концентрации наноструктур с 0,05 до 0,5 об. % скорость испарения снижается.
Скорость движения капель возрастает при диспергировании астраленов от 0 до 0,25 об. %, однако, при дальнейшем повышении концентрации астраленов до 1,0 об. % скорость снижается. Время тушения определялось с использованием лабораторной установки пожаротушения. Распределение размеров капель огнетушащих составов находится в интервале от 20 до 160 мкм. На установке МУПТВ наибольшая огнетушащая способность достигалась при применении огнетушащего состава с концентрацией астраленов 0,5 об. %.
Выводы. Модифицирование огнетушащего состава углеродными наноструктурами приводит к изменению его теплофизических характеристик. Применение данного состава в составе МУПТВ на объектах с обращением нефтепродуктов комплекса позволит повысить ее огнетушащую способность. Дальнейшими направлениями исследований являются разработка способов стабилизации астраленов в суспензиях и адаптация к условиям низких температур.

1. Хасанов И.Р., Думилин А.И. Тушение горючих жидкостей распыленной водой // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXVIII междунар. науч.­практ. конф.: в 2­х ч. Балашиха, 2016. С. 363–366. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=28817900

2. Думилин А.И. Параметры тушения пламени горючих жидкостей распыленной водой // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2013. Т. 22. № 4. С. 85–90. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19436559

3. Mawhinney J.R., Back G.G. Water mist fire suppression systems // SFPE Handbook of fire protection engineering. New York, NY : Springer, 2016. Pp. 1587–1645. DOI: 10.1007/978­1­4939­2565­0_46

4. Shrigondekar H., Chowdhury A., Prabhu S.V. Characterization of a simplex water mist nozzle and its performance in extinguishing liquid pool fire // Experimental Thermal and Fluid Science. 2018. Vol. 93. Pp. 441–455. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2018.01.015

5. Koshiba Y., Yamamoto Y., Ohtani H. Fire suppression efficiency of water mists containing organic solvents // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 12. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103973

6. Feng M., Tao J., Qin J. Fei Q. Extinguishment of counter­flow diffusion flame by water mist derived from aqueous solutions containing chemical additives // Journal of Fire Sciences. 2016. Vol. 34. No. 1. Pp. 51–68. DOI: 10.1177/0734904115618220

7. Wu B., Liao G. Experimental study on fire extinguishing of water mist with a newly prepared multi­component additive // Procedia Engineering. 2013. Vol. 62. Pp. 317–323. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.08.070

8. Halelfadl S., Maré T., Estellé P. Efficiency of carbon nanotubes water based nanofluids as coolants // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. Vol. 53. Pp. 104–110. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2013.11.010

9. Hung Y.H., Gu H.J. Multiwalled carbon nanotube nanofluids used for heat dissipation in hybrid green energy systems // Journal of Nanomaterials. 2014. Vol. 2014. P. 12. DOI: 10.1155/2014/196074

10. Иванов А.В., Торопов Д.П., Ивахнюк Г.К., Федоров А.В., Кузьмин А.А. Исследование огнетушащих свойств воды и гидрогелей с углеродными наноструктурами при ликвидации горения нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 8. С. 31–44. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanieognetushaschih-svoystv-vody-i-gidrogeley-s-uglerodnymi-nanostrukturami-pri-likvidatsiigoreniya-nefteproduktov

11. Терехов В.И., Калинина С.В., Леманов В.В. Механизм теплопереноса в наножидкостях: современное состояние проблемы (обзор). Часть 2. Конвективный теплообмен // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17. № 2. С. 173–188. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15606580

12. Shames A.I., Katz E.A., Panich A.M., Mogilyansky D., Mogilko E., Grinblat J. et al. Structural and magnetic resonance study of astralen nanoparticles // Diamond and Related Materials. 2009. Vol. 8. No. 2, 3. Pp. 505–510. DOI: 10.1016/j.diamond.2008.10.056

13. Ponomarev A., Iudovich M. Multi­layered carbon nanoparticles of the fulleroid type. United States patent US Nо. 9.090.752. 2015 Jul. 28.

14. Suriyawong A., Wongwises S. Nucleate pool boiling heat transfer characteristics of TiO2­ water nanofluids at very low concentrations // Experimental Thermal and Fluid Science. 2010. Vol. 34. No. 8. Pp. 992–999. DOI: 10.1016j.expthermflusci.2010.03.002

15. Прохоров В.Е., Чашечкин Ю.Д. Динамика отрыва одиночных капель в воздушной среде // Известия Российской Академии наук. Механика жидкости и газа. 2014. № 4. С. 109–118. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21811487

16. Zhu P., Wang X., Wang. Z., Cong H., Ni X. Experimental study on transformer oil pool fire suppression by water mist // Fire Science and Technology. 2017. Pp. 895–901. DOI: 10.1007/978­981­10­0376­9_92

17. Sekhar Y.R., Sharma K.V. Study of viscosity and specific heat capacity characteristics of waterbased Al2O3 nanofluids at low particle concentrations // Journal of experimental Nanoscience. 2015. Vol. 10. No. 2. Pp. 86–102. DOI: 10.1080/17458080.2013.796595

18. Shoghl S.N., Jamali J., Moraveji M.K. Electrical conductivity, viscosity, and density of different nanofluids: An experimental study // Experimental Thermal and Fluid Science. 2016. Vol. 74. Pp. 339–346. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2016.01.004

19. Tanvir S., Qiao L. Surface tension of nanofluid­type fuels containing suspended nanomaterials // Nanoscale Research Letters. 2012. Vol. 7. No. 1. Pp. 1–10. DOI: 10.1186/1556­276X­7­226

20. Иванов А.В., Торопов Д.В., Медведева Л.В., Калинина Е.С. Физический механизм и способ тушения жидких углеводородов модифицированными суспензиями воды с углеродными наноструктурами // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 1. C. 22–34. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.01.22­34

21. Wang C., Xu H., Herreros J.M., Lattimore T., Shuai S. Fuel effect on particulate matter composition and soot oxidation in a direct­injection spark ignition (DISI) engine // Energy & Fuels. 2014. Vol. 28. No. 3. Pp. 2003–2012. DOI: 10.1021/ef402234z

22. Soma K., Babu J.S.C. Factors influencing the rheological behavior of carbon nanotube waterbased nanofluid // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2015. Vol. 23. No. 8. Pp. 750–754. DOI: 10.1080/1536383X.2014.973489