Analiza porównawcza czasów retencji wybranych gazów gaśniczych w warunkach rzeczywistych 4

Transkrypt

1 Sylwia Boroń 1, Waldemar Wnęk 2, Przemysław Kubica 3 Szkoła Główna Służby Pożarniczej Analiza porównawcza czasów retencji wybranych gazów gaśniczych w warunkach rzeczywistych 4 Technologia gaszenia pożarów gazem gaśniczym znajduje zastosowanie przede wszystkim w zabezpieczaniu mienia wysokiej wartości, gdzie użycie innych środków gaśniczych mogłoby spowodować ich zniszczenie lub uszkodzenie. Przykładem pomieszczeń, w których stosuje się tego typu ochronę są serwerownie, archiwa, muzea. W pomieszczeniach tych, w razie wykrycia pożaru, wprowadzany jest do wnętrza odpowiedni gaz gaśniczy. Aby zapewnić skuteczne ugaszenie pożaru, gaz powinien utrzymywać się w odpowiednim stężeniu w przestrzeni chronionej przez odpowiedni przedział czasu, tzw. czas retencji. Skuteczne działanie instalacji gaśniczej wymaga zapewnienia odpowiedniej szczelności przegród budowlanych wydzielających pomieszczenie chronione. Szczelność pomieszczeń zabezpieczanych gazowymi urządzeniami gaśniczymi niejednokrotnie jest niewystarczająca do uzyskania wymaganego czasu retencji. Napływ powietrza z zewnątrz, powoduje obniżanie stężania gazu gaśniczego, co może doprowadzić do nieskuteczności procesu gaszenia i nawrotu pożaru. Doświadczenia praktyczne wskazują, że uzyskanie wymaganego czasu retencji jest często trudne do realizacji przy stosowaniu gazów gaśniczych uznanych w aktualnie obowiązujących normach. W takich sytuacjach pojawia się potrzeba rozwiązania alternatywnego, które zapewni wymagany poziom bezpieczeństwa pożarowego oraz ograniczy straty materialne, przy jednoczesnym zapewnieniu nieszkodliwości środka gaśniczego. Takim rozwiązaniem mógłby być gaz gaśniczy o nowym składzie, nieuwzględniany do tej pory przez znane normy. Zmniejszenie szybkości infiltracji powietrza z zewnątrz przez zmianę składu gazu gaśniczego, bez ingerencji w szczelność przegród, znacząco ułatwiałoby wydłużenie czasu retencji oraz zwiększyło skuteczność gaszenia, poprawiając tym samym bezpieczeństwo pożarowe obiektu. Przegląd literatury Gazy gaśnicze obecnie stosowane w stałych urządzeniach gaśniczych, działających przez całkowite wypełnienie dzieli się na dwie grupy:, chlorowcopochodne węglowodorów i gazy obojętne. Inne gazy, jak halony, stosowane są bardzo rzadko we współczesnych urządzeniach gaśniczych. Zgodnie z nomenklaturą wprowadzoną przez NFPA (National Fire Protection Association) chlorowcopochodne węglowodorów i gazy obojętne noszą nazwę czyste środki gaśnicze. Chlorowcopochodne węglowodorów nazywane są również zamiennikami halonów, ponieważ posiadają szereg cech wspólnych z halonami. Zbudowane są najczęściej na bazie metanu CH 4 lub etanu C 2 H 6, w których jeden lub wszystkie atomy wodoru zastąpione zostały atomami chloru, fluoru, jodu lub odpowiednimi kombinacjami. Gazy obojętne stosowane do celów gaśniczych to azot, argon ich mieszaniny, w jednym przypadku z niewielką domieszką CO 2. Gazy obojętne posiadają cechy zdecydowanie różne od halonów. Ich działanie gaśnicze polega na obniżeniu stężenia tlenu w zabezpieczanym pomieszczeniu. Gazy obojętne są całkowicie nieszkodliwe pod względem ekologicznym. Obecnie stosowane w ochronie przeciwpożarowej są cztery obojętne gazy gaśnicze: - IG 01 (argon 100%), 1 mł. kpt. mgr inż. S. Boroń, Asystent w Zakładzie Technicznych Systemów Zabezpieczeń, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego. 2 st. bryg. dr inż. W. Wnęk, Kierownik Katedry Bezpieczeństwa Budowli i Rozpoznawania Zagrożeń, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego. 3 bryg. dr inż. P. Kubica, Kierownik Zakładu Technicznych Systemów Zabezpieczeń, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego. 4 Artykuł recenzowany 687

2 - IG 55 (argon 50%, azot 50%), - IG 100 (azot 100%), - IG 541 (azot 50%, argon 42%, dwutlenek węgla 8%). Powyższe gazy mają gęstość różną od gęstości powietrza, w związku z czym po wyładowaniu do pomieszczenia wypływają przez nieszczelności wskutek różnicy ciśnień hydrostatycznych.. Skład gazów gaśniczych obojętnych został ustalony w latach przez National Fire Protection Association i zaakceptowany przez inne komitety normalizacyjne międzynarodowe, europejskie i krajowe. Prace naukowe z zakresu ochrony przeciwpożarowej, odnoszące się do gazów gaśniczych, skupiają się na analitycznych metodach wyznaczania czasu utrzymywania stężenia gazów w przestrzeni chronionej, ale już istniejących gazów. Problematyka ta poruszana była przez J. Dewsbury, R.A. Whiteley, w artykule Review of fan integrity testing and hold time standards, Fire Technology 36 (4) (2000), gdzie dokonano przeglądu modeli stosowanych w poszczególnych normach do wyznaczania czasu retencji. M.Hetrick, S.Rangwala w publikacji A modified hold time model for total flooding fire suppression, Fire Safety Journal 45 (2010) 12 20, gdzie zaproponowano nowy model wyznaczania czasu retencji gazów. Wyznaczenie składu gazu gaśniczego, o gęstości bliskiej gęstości powietrza stanowi nowy kierunek w technologii gaszenia gazem. Zastosowane metody badawcze Głównym celem przeprowadzonych badań była analiza skuteczności zabezpieczenia pomieszczenia obojętnymi gazami gaśniczymi normowymi oraz nowo zaproponowanymi gazami gaśniczymi o zmienionym składzie mieszaniny gaśniczej. Badanie polegało na ocenie przebiegu zmian stężeń wybranych gazów gaśniczych, po wyładowaniu do pomieszczenia chronionego. Na tej podstawie wyznaczano czasy retencji badanych gazów. Zmiany stężeń gazów w czasie były mierzone na normatywnie określonych wysokościach pomieszczenia. Badania doświadczalne przeprowadzono na stanowisku badawczym składającym się z częściowo przeszklonej komory o wymiarach 5 m x 5 m i 2,8 m wysokości (rys. 1). Komora została wyposażona w stałe urządzenie gaśnicze gazowe na gazy obojętne, aparaturę do wielopunktowego pomiaru stężeń gazu oraz siatkę termopar umożliwiających wielopunktowy rejestr temperatur. Do pomiaru stężeń gazów stosowano sondy tlenu z sensorem elektrochemicznym, umieszczone na słupkach pomiarowych. Stężenie oraz temperaturę mierzono na 5 wysokościach: 28 cm, 84 cm, 140 cm, 196 cm i 252 cm od podłogi, co odpowiadało 10%, 30%, 50%, 70% i 90% wysokości przestrzeni chronionej. Tak skonfigurowane słupki pomiarowe umieszczono w dwóch miejscach komory. Pierwsza para słupków znajdowała się w części centralnej, druga para w rogu komory. Pomiary prowadzono w sposób ciągły, a wyniki rejestrowano co 1 sekundę i archiwizowano w komputerze wyposażonym w oprogramowanie pomiarowe Advantech ADAMView. Układ podawania środka gaśniczego składał się z czterech butli z gazem gaśniczym pod ciśnieniem 20 MPa o pojemności 50 dm 3, wyposażonych w zawór szybkootwieralny, przyłączonych do rurociągu doprowadzającego gaz gaśniczy do chronionej przestrzeni zakończonego dwiema dyszami. Przedmiotem badań był normowy gaz gaśniczy o składzie N 2 100% v/v oraz dwie prototypowe mieszaniny azotu z argonem o składzie Ar = 7 % v/v - N 2 = 93 % v/v oraz Ar = 9 % v/v - N 2 = 91 % v/v. Czysty azot, jest gazem gaśniczym o gęstości najbliższej gęstości powietrza spośród wszystkich gazów normowych. Natomiast mieszaniny o proponowanych proporcjach, pozwalają uzyskać gęstość jeszcze bliższą gęstości powietrza otoczenia, co umożliwia maksymalizację czasu retencji. 688

3 Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego: 1. Zbiorniki z gazem gaśniczym, 2. Wyzwalacz butli pilotującej, 3. Kolektor zbiorczy, 4. Reduktor ciśnienia, 5. Rurociąg rozprowadzający, 6. Dysze wylotowe, 7. Termopary, 8. Sondy tlenu, 9. Zestaw komputerowy z oprogramowaniem, 10. Centrala sterowania gaszeniem, 11. Linie dozorowe z czujkami pożarowymi, 12. Przyciski START/STOP gaszenia, 13. Sygnalizator optyczny, 14. Sygnalizator akustyczny. Wyniki badań Po wyładowaniu normowego gazu gaśniczego o składzie N % v/v, powstała w pomieszczeniu chronionym mieszanina gaz gaśniczy-powietrze uzyskiwała gęstość mniejszą od powietrza otoczenia. W wyniku różnicy ciśnień hydrostatycznych, będących skutkiem różnicy gęstości, mieszanina gaśnicza unosiła się ku górze. Mieszanina wypływała górnymi nieszczelnościami, zaś dolnymi następował napływ powietrza do przestrzeni chronionej, w wyniku czego stężenie tlenu najszybciej wzrastało w dolnej części pomieszczenia (rys. 2). Po upływie 6000 sekund na wysokości 0.1 H stężenie tlenu osiągnęło wartość 17 % v/v, natomiast na wysokościach od 0.3 do 0.9H stężenia tlenu wynosiły 12 % v/v - 14 %v/v. Świadczy to o występowaniu zjawiska rozwarstwienia między mieszaniną gaśniczą, a napływającym powietrzem oraz ograniczonym naturalnym mieszaniem gazów. Czas retencji wyznaczano zgodnie z normą [4] to jest od chwili, gdy w przestrzeni osiągnięto stężenie projektowe gazu gaśniczego, do momentu gdy na dowolnej wysokości pomieszczenia stężenie gazu gaśniczego spadło poniżej 85% wartości stężenia projektowego. W warunkach badania przyjęto stężenie projektowe gazu gaśniczego 42 % v/v, co odpowiadało to stężeniu tlenu 12,2 % v/v; natomiast stężenie końcowe gazu gaśniczego wynosiło 35,7% v/v co odpowiadało 13,5% v/v stężenia tlenu. W ten sposób określony czas retencji osiągnął wartość 1213 sekund. 689

4 Rys. 2. Rozkład stężeń tlenu w przestrzeni chronionej w czasie retencji gazu gaśniczego Ar = 0 % - N 2 = 100 %. W trakcie badań z gazem o gęstości bliskiej gęstości powietrza Ar = 7 % - N 2 = 93 % v/v obserwowano równomierny wzrost stężenia tlenu na wszystkich sondach (rys. 3). Wzrost stężenia osiągnął wartość ok. 14 % w zadanym przedziale czasowym. Taki rozkład stężeń można tłumaczyć napływem pewnej ilości powietrza z zewnątrz przez dolne nieszczelności, (mieszanina wewnątrz była nieco lżejsza od powietrza otoczenia) a następnie występowaniem mechanizmów samoistnego mieszania gazów (dyfuzja, wirowanie), powodujących równomierne zmiany stężeń w górnych częściach pomieszczenia. Czas retencji wyniósł 5016 sekund i był dłuższy od czasu retencji uzyskanego przy wyładowaniu gazu N 2 = 100 % v/v. Rys. 3. Rozkład stężeń tlenu w przestrzeni chronionej w czasie retencji gazu gaśniczego Ar = 7 % - N 2 = 93 %. 690

5 W czasie retencji gazu gaśniczego o składzie Ar 9 % v/v - N 2 91 % v/v nastąpił wypływ mieszaniny gaśniczej dolnymi nieszczelnościami i napływ powietrza górnymi, charakterystyczny dla gazów gaśniczych cięższych od powietrza. W wyniku tego, w pierwszej kolejności wzrosło stężenie tlenu na górnej sondzie (sonda 5), umieszczonej na 90% wysokości pomieszczenia. Na pozostałych sondach stężenie tlenu wzrastało w miarę obniżania się granicy rozdziału mieszaniny gaśniczej od powietrza. Uzyskano czas retencji wynoszący 1617 sekund. Rys. 4. Rozkład stężeń tlenu w przestrzeni chronionej w czasie retencji gazu gaśniczego Ar = 9 % - N 2 = 91 %. Tab. 1. Zestawienie czasów retencji uzyskanych po wyładowaniu poszczególnych gazów gaśniczych. Gaz gaśniczy Czas retencji [s] N 2 = 100 % v/v 1216 Ar = 7 % v/v, N 2 = 93 % v/v 5016 Ar = 9 % v/v, N 2 = 91 % v/v 1617 Wnioski Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski: 1. Odpowiedni dobór składu gazu gaśniczego umożliwia maksymalizację czasu retencji. Gazy gaśnicze o gęstościach bliskich gęstości powietrza umożliwiały uzyskanie dłuższych czasów retencji. 2. Zastosowanie gazu gaśniczego, składającego się z argonu i azotu, w proporcjach dobranych tak, aby zapewnić wydłużenie czasu retencji powoduje zmniejszenie szybkości obniżania stężenia gazu w chronionej kubaturze. Zanika efekt rozwarstwienia między mieszaniną gaśniczą, a napływającym powietrzem. W porównaniu do gazu normowego, zaproponowane mieszanki gazów ulegały w większym stopniu naturalnemu mieszaniu w wyniku dyfuzji, konwekcji, zawirowań. 691

6 3. Jednym z czynników decydujących o długości czasu retencji jest gęstość gazów. Gęstość gazów zależy od panujących warunków, w szczególności od temperatury, ciśnienia i wilgotności. Należy zatem pamiętać o uwzględnianiu wpływ warunków atmosferycznych przy wyznaczaniu czasu retencji. Streszczenie Bezpieczeństwo pożarowe jest jednym z najważniejszych wymagań stawianych współczesnym budynkom. Technologia gaszenia gazem za pomocą stałych urządzeń gaśniczych (SUG) znajduje szerokie zastosowanie w zabezpieczaniu mienia dużej wartości wrażliwego na działanie innych środków gaśniczych. Aby zapewnić skuteczne ugaszenie pożaru, gaz musi być utrzymywany w kubaturze pomieszczenia przez odpowiedni czas, tzw. czas retencji. W przypadku pomieszczeń nieszczelnych, gdzie nie występuje wymuszone mieszanie gazów, cięższy od powietrza gaz gaśniczy opada i wypływa dolnymi nieszczelnościami pomieszczenia, a górnymi napływa świeże powietrze. W przypadku gazów lżejszych od powietrza przepływ ma kierunek odwrotny. Przyczyną wypływu jest różnica ciśnień hydrostatycznych mieszaniny gazu gaśniczego wewnątrz chronionej przestrzeni i powietrza otoczenia. Mechanizm ten powoduje utratę skuteczności ochrony. Zdarzają się sytuacje, gdy gazy gaśnicze przyjęte w normach, nie zapewniają wystarczającego czasu retencji. Wychodząc naprzeciw takim potrzebom, postanowiono zaproponować gaz gaśniczy o nowym składzie, posiadającym gęstość zbliżoną do gęstości powietrza, nie uwzględniany do tej pory przez znane normy. Przedmiotem badań była analiza porównawcza czasów retencji uzyskanych przy zastosowaniu czystego azotu - gazu gaśniczego normowego, o gęstości najbliższej gęstości powietrza, spośród wszystkich gazów normowych oraz prototypowych gazów gaśniczych o składzie Ar = 7 % v/v i N 2 = 93 % v/v oraz Ar = 9 % v/v i N 2 = 91 % v/v. Na podstawie badań stwierdzono, że dobór składu gazu gaśniczego umożliwia maksymalizację czasu retencji. Gazy gaśnicze o gęstościach bliskich gęstości powietrza pozwoliły uzyskać dłuższe czasy retencji. Comparative analysis of retention times of selected extinguishing gases in real conditions Abstract The paper discusses the problem of fire safety rooms protected by fixed gaseous extinguishing systems. Fire safety of areas protected by fixed gaseous extinguishing systems particularly depends on the retention time of the extinguishing gas, i.e., the time, in which effective extinguishing gas concentration shall be maintained in the protected space. Practical experience shows that getting the required retention time is often difficult to achieve using extinguishing gas recognized in the current standards. In such situations, there is a need for an alternative solution. An extinguishing gas of the new compositioncould besuch a solution. In the research part, the retention times of nitrogen and nitrogen-argon mixtures were measured in laboratory conditions, including mixtures of proportions selected such as to achieve a density close to the density of the ambient air. Based on the research, it was found that the selection of the composition of the extinguishing gas maximizes the retention time. Extinguishing gases with densities close to air density provide the retention times longer than extinguishing gases currently use in fire protection. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Wnęk W., Kubica P. Distribution of oxygen concentration during fire suppression in closed spaces with inert gases, Przemysł Chemiczny 9/2014. [2]. Wnęk W., Kubica P., Analiza rozkładu stężeń tlenu podczas gaszenia pomieszczenia azotem, przy wymuszonych ruchach powietrza, Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza, kwartalnik CNBOP-PIB, Vol. 24/4/1, Grudzień

7 [3]. Kubica P., Czas retencji gazów gaśniczych w aspekcie bezpieczeństwa pożarowego pomieszczeń - Rozprawa Doktorska, Grudzień [4]. ISO Gaseous fire-extinguishing systems - Physical properties and system design - Part 1: General requirements. [5]. NFPA 2001: Standard On Clean Agent Fire Extinguishing Systems Edition: [6]. PN EN :2008 Stałe urządzenia gaśnicze -- Urządzenia gaśnicze gazowe - Część 1: Ogólne wymagania dotyczące projektowania i instalowania. 693

8 694