کاربرد سیستم واترمیست در هوانوردی

آتش‌سوزی اتفاق قریب‌الوقوعی است که همه‌روزه در اقصی نقاط جهان شاهد وقوع آن هستیم و طی سالیان متمادی از جمله بزرگ‌ترین خطرها محسوب می‌شود. این مهم اهمیت پیشرفت و ارتقاء انواع تکنولوژی‌ها را برای بالا‌بردن توان مبارزه با انواع حریق ایجاب کرده است. همانگونه که تاریخ نشان می‌دهد تمامی سیستم‌های بکار رفته برای اطفاء حریق تا هزاران سال، بر استفاده از آب استوار بوده و در عصر حاضر تنها روش‌های انتقال و پرتاب و پاشش آب با ارتقاء فناوری‌ها متحول شده‌اند. از عمده‌ترین مزایای استفاده از آب می‌توان به مواردی از جمله؛ دردسترس‌بودن آن به نسبت فراوان، دارابودن ظرفیت گرمایی و دمای تبخیر بالا، PH خنثی و در نتیجه عدم تاثیر شیمیایی بر بسیاری مواد و عدم تاثیر منفی و سوء بر انسان (عدم مسمومیت و ایجاد بیماری) و محیط زیست اشاره نمود.

دو فاکتور مهم در خاموش‌شدن آتش به وسیله آب نقش دارند، یکی جذب حرارت در فرآیند تشکیل بخار آب و دیگری افزایش فشار جزیی بخار آب که اطراف آتش را محاصره می‌کند و به فرآیند تشکیل بخار کمک می‌کند. در واقع تبخیر قطرات آب به دو فرآیند همزمان ختم می‌شود، انتقال حرارت بر روی سطح قطره آب و انتقال جرم مایع از سطح قطره. حرارت برای تامین گرمای نهان تبخیر به طور مداوم به سطح قطره انتقال می‌یابد و مقداری از جرم قطره آب به فضای گازی منتقل می‌شود. سرعت تبخیر از فرمول زیر بدست می‌آید.

dW/dt = 2π D_v D (P_wb – p_w)

dW تغیرات جرم قطره ، dt تغیرات زمان، D_v انتشار بخار آب از روی سطح قطره در هوا، D قطر قطره آب، P_wb فشار بخار آب در حرارت اشباع‌شده قطرات و P_w فشار جزیی بخار آب در هوا

نفوذ بخار آب در هوا تابعی از دما و فشار هوا می‌باشد. اختلاف فشار بخار در درجه حرارت بالا بسیار مهم است، بطوری‌که هنگامی‌که حرارت قطرات نزدیک نقطه جوش می‌رسد، فشار بخار اشباع‌شده بطور چشمگیری افزایش می‌یابد.

توجه به این نکته مهم است که نرخ بخارشدن قطره متناسب با قطر قطره است. بنابراین از فرمول بالا می‌توان به این نتیجه رسید که اگر امکان تولید حداکثر میزان بخار وجود داشته باشد، قطرات بزرگ مطلوب است. در حالی‌که این فرمول مربوط به یک قطره است و تعداد قطراتی که در آن محیط تزریق می‌شود، نادیده گرفته شده است. با درنظرگرفتن تزریق قطرات در واحد حجم، می‌توان به‌صورت زیر در فرمول تجدیدنظر کرد.

dW/dt = 12 D_V m (P_wb – P_w)/D^۲  در اینجا m جرم آب تزریق شده است.

فرمول فوق نشان می‌دهد، هر اندازه تعداد قطرات آب با قطر کمتر در محیط گازهای داغ بیشتر باشد، تبخیر با سرعت بیشتری انجام می‌گیرد و درنتیجه گرمای بیشتری در زمان کمتر از محیط گرفته می‌شود. همانطور که نمودار شکل یک نشان می‌دهد، قطرات با قطر کمتر از ۱۰۰ میکرون می‌توانند مقدار حرارت قابل‌ملاحظه‌ای را درون خود انتقال دهند.

شکل ۱

نمودار شکل ۲ بیانگر این موضوع است که قطرات با قطر کم، قادرند سریع‌تر از بقیه قطرات با قطر بیشتر به بخار تبدیل شوند و این رویداد به بالابردن کیفیت اطفای حریق کمک می‌کند.

شکل ۲

مقدار گرمای منتقل‌شده به قطره آب از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

Q_water = m_water (۶/D_m ρ_water) hc_droplet (T_gas – T_water). Ԑ_water

m_water جرم قطرات تزریق‌شده، D_water قطر متوسط قطرات، hc_droplet شار گرمایی منتقل‌شده به قطره، T_gas درجه حرارت گاز، T_water درجه حرارت آب و Ԑ_water   ضریب راندمان آب است. پارامترهایی که در کارکرد سیستم اسپری آب موثرند، عبارتنداز:

۱- متوسط دبی آب بر واحد سطح در ناحیه آتش

۲- توزیع دبی آب در ناحیه آتش

۳- جهت مسیر کاربرد اسپری

۴- اندازه و توزیع قطرات

۵- سرعت هوای جاری

۶- نسبت سرعت قطرات به سرعت هوای جاری و شعله

۷- نوع سوخت

‌امروزه دانشمندان و محققان می‌توانند با تکنولوژی‌های نوین خود، قطرات درشت ۵۰۰۰ میکرونی آب را به ذرات در حد ۱۰۰ با ۱۵۰ میکرونی تبدیل کنند و با فشار، در مرکز آتش تزریق کنند. افزایش کارآیی موثر آب و درنتیجه مصرف آب کمتر برای اطفای حریق، به تبع کاهش ابعاد دستگاه‌ها و حمل آسان‌تر را به‌همراه دارد.

کاربرد سیستم water mist در هوانوردی

اداره هوانوردی فدرال Federal Aviation Administration (FAA) در دهه ۱۹۹۰ کاربرد سیستم اسپری آب جهت اطفای حریق را در ناوگان‌های هوایی مورد مطالعه قرار داده و سیستم اسپری آب را در کابین مسافران نصب کرد. محفظه نگهداری بار در هواپیما یکی از مناطق پر اهمیت از نظر آتش‌سوزی است. به همین دلیل اداره هوانوردی فدرال چهار طرح را در قسمت محفظه بار هواپیما مورد ارزیابی قرار داد. این چهار طرح شامل سیستم‌های فشار بالا، فشار پایین، تک‌سیال و سیال دوتایی بودند.

در این رابطه آزمایش‌های زیر انجام شد:

۱- آزمایش آتش‌سوزی در بار فله‌ای bulk-load: متوسط پیک حرارت برای این آزمایش ۵۳۵ درجه فارنهایت بود. متوسط غلظت اکسیژن در قسمت نگهداری بار بعد از اطفای حریق ۱۵درصد بود و برای کنترل آتش ۱۴۸ پوند آب مصرف شد.

۲- آزمایش آتش کانتینری containerized fire tests: در این آزمایش آب نتوانست به داخل کانتینرها نفوذ کند. اما بدلیل ایجاد پتوی مه مانند در محیط از انتقال convection و هدایت conduction گرما جلوگیری کرد. بعد از تزریق مه‌آب در همان دقیقه اول، دما به کمتر از ۲۱۲ درجه فارنهایت و درصد اکسیژن داخل کانتینر بصورت چشمگیری به یک درصد رسید. در این تست ۲۷۳ پوند آب مصرف شد.

۳- آزمایش سوختن سطحی Surface Burn Test: در این آزمون شعله آتش با پیک متوسط حرارتی ۷۴۲ درجه فارنهایت در مدت زمان یک دقیقه خاموش شد. آب مصرف‌شده توسط این آزمون برابر با ۶۷ پوند بود.

۴- آزمایش شبیه‌سازی انفجار آیروسل Aerosol Can Simulator Explosion Test: در این آزمایش هیدروکربن به صورت آیروسل در محفظه حمل بار جمع و توسط جرقه منفجر شد. پیک متوسط حرارتی ۹۷۶ درجه فارنهایت بود و در تمام مدت آزمون به دلیل شعله باز، درصد اکسیژن به حدود ۱۶ درصد رسید. آب مصرف‌شده در این سناریو ۶۱ پوند بود.

این آزمون‌ها نشان داد، سیستم واترمیست بدلیل نفوذ در عمق آتش برای اطفای حریق بارهای فله‌ای مناسب است. اما بدلیل بالابودن سقف حرارتی هیدروکربن‌ها در هنگام انفجار، واترمیست کارآیی لازم را ندارد. البته در این مقاله فقط قابلیت واترمیست مورد بررسی قرار گرفت. اداره هوانوردی فدرال این آزمون‌ها را با سیستم آب و نیتروژن، آب خالص و نیتروژن خالص انجام داد و آنها را با یکدیگر مقایسه کرد. آنچه از این مباحث نتیجه می‌شود آن است که می‌توان از سیستم واترمیست در بعضی از قسمت‌های هوانوردی استفاده کرد.

 

مهندس احمدرضا کیابد – ۰۹۱۳۱۰۷۴۷۲۲  – ahmadreza_kiabod@yahoo.com

مشاور و مدیر آموزش شرکت آتش مهاران نوین آریا