Физика тушения ландшафтных пожаров

[frim_ax]

Добрый день.
Я хотел бы попросить физиков помочь мне разобраться в одном вопросе. Есть проблема тушения ландшафтных пожаров: верховых, низовых, торфяных. Из них самое простое - это тушение низовых пожаров, когда горят сухие листья и трава. Одна из основных проблем при их тушении - невозможность обеспечить доставку огнетушащего вещества в достаточном количестве ко всей кромке пожара. Грубо говоря, воды не напасёшься.

В принципе, водой тушат с помощью ранцевых лесных огнетушителей, но приходится тащить на себе 10 литров воды, плюс пару канистр и всё равно нужно всё время подносить воду, если кромка пожара большая.

Поэтому используют часто вдобавок механические способы тушения: "хлопалками" (захлопывают пожар джинсами или специальными гибкими "лопатами"). Также российское ноу-хау - тушение листодувками. Теми самыми, которыми раздувают листья. Как ни странно, листодувки не раздувают огонь, а, наоборот, его гасят благодаря разделению горючих материалов и пламени, а также понижению температуры в области горения. При этом эффективность тушения повышается за счёт разбрыгивания воды вместе с потоком воздуха.

Тут тоже есть проблема: тяжеловесность бензиновых листодувок, шум от них, необходимость подноса бензина и воды (хотя и не так много и часто, как для ранцев) снижают мобильность и маневренность пожарных, затрудняют коммуникацию между ними.

У бензиновых листодувок есть электрическая альтернатива, но они работают на литиевых батареях. Самые мощные электрических листодвуки в два раза уступают по мощности бензиновым, хотя имеются примеры успешного тушения небольших травяных пожаров. При это с ранцем с 10 килограммами батарей они могут работать непрерывно 1 час 45 минут. Стоит такой ранец около тысячи долларов, поэтому в полевых условиях обеспечить бесперебойное питание таких приборов невозможно.

Есть ещё одна теоретическая альтернатива - гашение пламени звуком. В интернете есть видео, на которых звук гасит пламя от масла в сковороде. Я тоже попробовал - динамик смартфона способен потушить пламя свечи. Однако есть мнение, что большие звуковые гасители работают не как аудиодинамики, а как вихревые пушки (vortex cannon - большие используются для распугивания птиц, а маленькие как игрушки для пускания колечек дыма). Эти опыты не привели к созданию рабочих прототипов для тушения огня в полевых условиях.

Есть также информация о том, что DARPA разрабатывала методы тушения огня электромагнитным излучением и даже есть некие видео с примерами. Однако какого-то развития эта технология тоже не получила.

Я думаю, что всё же есть хорошая перспектива в использовании электрических средств тушения низовых пожаров. Но возникает развилка, и неясно в каком направлении двигаться.

1. Насколько теоретически могут быть эффективны технологии тушения огня на основе нагнетания воздуха с помощью электродвигателей? Можно ли оптимизировать воздушный поток для снижения потребления энергии и повышения эффективности тушения?
2. Насколько могут быть эффективны технологии на основе звука?
3. Насколько могут быть эффективны технологии на основе электромагнитного излучения?

В конце концов, какой из этих вариантов может быть эффективней и наиболее осуществим? Под эффективностью я имею ввиду возможность не только тушения, но и энергетическую экономичность, потому что это критично в полевых условиях.

[amon]

frim_ax в сообщении #1641740 писал(а):

какой из этих вариантов может быть эффективней и наиболее осуществим?

Я не специалист в области теории горения и взрыва. На эту тему написаны тома, получена Нобелевская премия Н.Н. Семеновым, но все как горело, так и продолжает гореть. Все что ниже - некие дилетантские соображения.
1. Касательно электрических двигателей. IMHO, пока вещь на пожаре гораздо менее эффективная чем ДВС. Причины: Энергетическая емкость аккумулятора существенно меньше энергетической емкости бензина в пересчете на килограмм веса, "перезарядить" бензиновый двигатель гораздо проще и для этого не требуется дополнительных устройств, кроме канистры и воронки.
2. Касательно тушения потоком воздуха. Потоком воздуха легко задуть спичку, но нельзя погасить мангал с разгоревшимися углями. Поэтому, IMHO, этот способ эффективен только на самой начальной стадии пожара. Механизм тушения в этом случае, как я понимаю, - увеличение теплоотвода от поверхности горения. Поскольку все горит по-разному, то как-то оптимизировать поток сложно, только практика.
3. IMHO, электромагнитное излучение на пожаре - мертвому припарки.
4. Про звук ничего сказать не могу. Ударная волна (взрыв) наверно может что-нибудь погасить, обычный звук - вряд ли.

[frim_ax]

Спасибо. Я в физике вовсе не специалист, но имею небольшой опыт тушения пожаров.

Поток воздуха тушит низовые пожары (горение сухой листвы и травы) с кромкой любого периметра (десятки километров). Главное успеть оббежать пожар и иметь запас энергии (бензина, электричества). Физика тут простая: понижается температура в области горения (за счёт притока холодного воздуха), отделяется пламя от горючего материала.

Звуковая волна в теории также понижает температуру за счёт перемешивания холодного и горячего воздуха с высокой частотой (относительно). Если поднести руку к саббуферу или к динамику на высокой громкости, можно почувствовать лёгкий "ветерок" - звук увеличивает испарение с поверхности воздуха за счёт колебания воздуха. Точно такое же механически звук оказывает воздействие и на огонь. При этом вследствие того, что в пространстве колебания воздуха ограничены приток кислорода также ограничен. Ну и во вторых, огонь также в теории может частично отрываться от горючего материала.

Чем хороши, на мой взгляд, электрические средства тушения - это меньшие вибрации, шум и, в теории, меньший вес. Основной вес бензиновой листодувки - это центробежный насос и корпус, который должен выдерживать большую нагрузку от насоса. Уменьшение механической нагрузки позволит снизить требования к прочности воздуходувки, уменьшить её собственный вес. Значительная часть веса аккумуляторов в заводских листодувках - это опять-таки их корпус (это примерно такие же аккумуляторы как в шуруповёртах). Думаю, оптимизация их конструкции и увеличение ёмкости позволит значительно улучшить соотношение веса и энергоёмкости.

Значительная часть энергии в бензиновых листодувках теряется в виде тепла, шума и вибраций. Соответственно даже при меньшей энергоёмкости батарей благодаря большей энергоэффективности электрические средства могут в теории работать не меньше, а-то и дольше.

Наконец вопрос оптимизации воздушного потока для тушения огня актуален как для электрических, так и для бензиновых воздуходувок. Ведь они изначально разрабатывались не для тушения огня, а не для раздувания листьев.

Если нужно могу прислать ссылки на видеоролики, где можно посмотреть примеры тушения огня звуком, воздуходувкой (бензиновой, электрической), электрическим полем.

[amon]

frim_ax, у меня сейчас, к сожалению, мало времени. Поэтому отвечу на более простой вопрос об электрических двигателях и ДВС. Килограмм бензина выделяет при сгорании примерно 40 миллионов джоулей. Пусть КПД двигателя 10%, тогда оставшиеся 4 МДж соответствуют аккумулятору напряжением 18 вольт емкостью 60 ампер-часов. Размер и вес такого аккумулятора, а также время его зарядки Вы можете себе представить сами.
Про звуковую волну позже, если будет время. Там беда в том, что это волна давления, а не скорости, а чтобы потушить огонь нужна скорость потока. Поэтому воздуходувка, IMHO, эффективнее.

-- 07.06.2024, 18:46 --

Еще про звук. В звуковой волне газ болтается туда-сюда, оставаясь в среднем на одном и том же месте. Чтобы потушить горящее дерево потоком воздуха надо понизить температуру в зоне горения ниже температуры вспышки (насколько я помню, для дерева это 300-400 градусов Цельсия). Звуковая волна "сдвинет" горячий газ, но потом вернет его на место. Если за это время газ успеет охладиться ниже температуры вспышки, то это может сработать, но для этого акустическая установка должна быть достаточно мощной и низкочастотной (какой-нибудь инфразвук, от которого могут разбежаться волки и пожарники). Размеры такой установки тоже впечатляющие. IMHO, проще воздухом дунуть.
Касательно дунуть. Надо в первый момент "сдуть" пламя, а затем не давать ему снова разгореться. Поэтому может быть имеет смысл подумать о пульсирующей струе воздуха, скорость которой меняется от быстрой к медленной и обратно. Это позволит не разносить горящие головешки по лесу и снизит среднюю потребную мощность двигателя.

[frim_ax]

18 вольт, 60 А*ч - это 1080 Вт*ч. Сейчас для электровелосипедов продают аккумуляторы ёмкостью 960 Вт*ч, весят они 4,9 кг, т.е. удельная энергоёмкость около 195 Вт*ч/кг. В прошлом году были созданы литиевые аккумуляторы ёмкостью 711 Вт*ч/кг, более чем в 3 раза больше. Скорее всего они пока не пошли в массовое производство, конечно. Бензиновая воздуходувка весит больше 10 кг (около 15 кг с полностью залитыми баками воды и бензина).

Насчёт звука - вот эксперименты с разными источниками звука https://www.youtube.com/watch?v=ZvnCQg4w4o8

Воздуходувками тушат не деревья, а траву. Травяные пожары являются причиной значительной части лесных пожаров. По данным авиалесоохраны - большинства лесных пожаров. Тушение деревьев - это совершенно отдельная история. На них и дуть бесполезно. Их можно заливать большим количеством воды, но они ещё и взрываться могут, так что их тушение во многом состоит в локализации и окарауливании.

Насчёт Семёнова, спасибо. Думаю, с этого стоит начать. Хотя помощь физиков всё же была бы полезна. Всё же у меня биологическое образование.

[zhyks1961]

frim_ax в сообщении #1641740 писал(а):

Добрый день.
...
...

У бензиновых листодувок есть электрическая альтернатива, но они работают на литиевых батареях. Самые мощные электрических листодвуки в два раза уступают по мощности бензиновым, хотя имеются примеры успешного тушения небольших травяных пожаров. При это с ранцем с 10 килограммами батарей они могут работать непрерывно 1 час 45 минут. Стоит такой ранец около тысячи долларов, поэтому в полевых условиях обеспечить бесперебойное питание таких приборов невозможно
...
...

Я думаю, что всё же есть хорошая перспектива в использовании электрических средств тушения низовых пожаров. Но возникает развилка, и неясно в каком направлении двигаться.

.
Тут возможно есть аналогия с историей развития сотовой связи. Сам по себе отдельно взятый электромобиль или электровелосипед да и электродувка не то, что в системе его повсеместно поддерживающей. Собственно, как и отдельно взятый сотовый телефон совсем не то.
.
Сегодня электрификация механики где-то на уровне кнопочных нокио с хорошими антеннами. Сотовая связь и интернет сегодня есть даже на рыбалке. Почему там нет зарядки для электровелосипеда да и электродувки? Наверное пока нет.

[Батороев]

frim_axfrim_ax
На уровне измышлений.
Интересно было бы попробовать тушить пожары огнеметами на природном газе.
Не смотря на парадоксальность такого метода, наверное можно было бы получить положительный эффект.
Направляя огнемет на горящее дерево, которое в итоге так или иначе сгорит... мы лишь ускоряем процесс. В то же время метан горит с выделением воды и углекислого газа (достоверность этого факта не гарантирую - вычитано из Интернета), что должно было бы неблагоприятно сказаться на процессе возгорания соседних деревьев.