Mgła - remedium na olej?

Analizy przypadków pożarów grupy F, przeprowadzone badania oraz obliczenia teoretyczne dowodzą, że nieodpowiednie gaszenie płonącego oleju w pomieszczeniu prowadzi do nagłego wzrostu ciśnienia, nawet rzędu 100 mbar. To zaś spowodować może zniszczenie elementów konstrukcji budynku - okien, lekkich ścianek działowych, a nawet ścian z cegły. Na świecie znaleźli się jednak śmiałkowie, którzy postanowili zbadać możliwość gaszenia pożarów olejów kuchennych za pomocą mgły wodnej.

Technologia mgły wodnej w ciągu ostatnich dwóch dekad na nowo zyskała zainteresowanie. Dzięki badaniom i testom wykazano jej skuteczność w tłumieniu wielu rodzajów pożarów, a do konkretnych zastosowań opracowano nowe systemy. Jednym z nowych obszarów użycia mgły wodnej jest gaszenie oleju kuchennego. To podstawowe wyzwanie związane z pożarem w strefie gotowania w restauracjach.
W ostatnich latach rozwój wysoko wydajnych urządzeń kuchennych, o wysokim współczynniku zużycia energii oraz szerokie zastosowanie olejów roślinnych o wysokiej temperaturze spalania zwiększyły zagrożenie pożarowe. Zdarzenia tego rodzaju są trudne do opanowania i łatwo pojawiają się ponownie. Pożary oleju kuchennego, ze względu na ich odmienny rozwój niż w przypadku innych rodzajów paliw płynnych, zostały niedawno przeklasyfikowane i zaliczone do stosunkowo nowej grupy ­- F.
Wcześniejsze badania wykazały, że piana, proszek i dwutlenek węgla z gaszeniem pożarów oleju kuchennego nie radzą sobie tak dobrze, jak w przypadku innych rodzajów paliw płynnych. Dzieje się tak, ponieważ mają ograniczoną zdolność chłodzenia. Obecnie podstawowy środek stosowany do gaszenia pożarów tłuszczu w strefach gotowania stanowią płynne środki chemiczne. Są skuteczne, ale mogą powodować podrażnienie skóry i oczu oraz problemy ze sprzątaniem po ugaszeniu pożaru. Ponadto koszt systemu gaszącego płynnymi środkami chemicznymi jest stosunkowo wysoki.
System mgły wodnej może być w tej sytuacji opłacalnym rozwiązaniem, jednak dostępnych jest niewiele informacji na jego temat. Dlatego w Kanadzie trzech naukowców: Zhigang Liu, Andrew K. Kim i Don Carpenter przeprowadziło badanie tego systemu jako skutecznego środka tłumienia pożarów oleju kuchennego i zapobiegania jego ponownemu zapłonowi. Zbadano właściwości pożaru tego rodzaju, ocenę skuteczności jego gaszenia za pomocą systemu mgły wodnej oraz dokonano próby określenia jego optymalnych parametrów (tj. typu i lokalizacji dysz, ciśnienia wylotowego, natężenia przepływu), pozwalających na ugaszenie płomieni.
W publikacji opisano charakterystykę pożarów oleju kuchennego, opracowany modelowy system mgły wodnej, warunki testowe i skuteczność systemu gaśniczego.

Procedury badawcze

Badanie obejmowało serię pełnowymiarowych testów pożarowych w makiecie kuchni restauracyjnej, zgodnie z normą UL 300 „Standard badań ogniowych systemów gaśniczych do ochrony stref gotowania w restauracjach”.
Frytownicę umieszczono bezpośrednio pod okapem. Jej powierzchnia smażenia wynosiła 305 mm x 381 mm, a pojemność wahała się od 15 l do 20 l tłuszczu. Podczas każdego testu podpalano świeży spożywczy olej roślinny (mieszanka olejów rzepakowego i sojowego) o temperaturze samozapłonu powyżej 365°C.

Instalację frytownicy i okapu przeprowadzono zgodnie z zaleceniami producentów, także w kwestii odległości między nimi. Okap miał 940 mm szerokości i 1676 mm długości. Zainstalowano jeden kanał wylotowy o średnicy 254 mm i podłączono go do okapu. Do odprowadzania spalin zastosowano wentylator wyciągowy.
Do pomiaru temperatury ognia, oleju kuchennego i metalowej powierzchni frytownicy zastosowano drzewo termopar z pięcioma punktami pomiarowymi. Urządzenie do pomiaru temperatury oleju spożywczego było umieszczone 25,4 mm poniżej powierzchni tłuszczu i 80 mm od ścianki bocznej frytownicy. W rurociągu w pobliżu dyszy w celu monitorowania ciśnienia wylotowego rozpylonej wody umieszczono przetwornik ciśnienia.
Dysza mgły wodnej znajdowała się w górnej przedniej części frytownicy (370 mm od punktu środkowego) i była skierowana na środek obszaru gotowania pod kątem 10°. W różnych eksperymentach odległość dyszy od powierzchni paliwa wahała się od 860 mm do 1100 mm.
Wszystkie wyniki testów zostały zarejestrowane przez system akwizycji danych. Do uzyskania wizualnych zapisów eksperymentu wykorzystano dwie kamery wideo.
Podczas eksperymentów frytownica wypełniona płynnym olejem spożywczym była podgrzewana z określoną szybkością. Gdy temperatura tłuszczu osiągnęła 190°C, wykonano test rozpryskiwania cieczy w temperaturze gotowania, uruchamiając wyładowanie środka gaśniczego na 5 s przy włączonym źródle ogrzewania frytownicy. Zaobserwowano i zarejestrowano zmiany temperatury oleju i odpowiadające im rozpryski cieczy spowodowane przez kontakt z mgłą wodną.
Po samozapłonie tłuszczu pozwolono mu swobodnie płonąć we frytownicy, a źródło ogrzewania pozostało włączone przez 2 min. W tym czasie pożar oleju kuchennego rozwinął się w pełni. Pod koniec palenia drugiej minuty wyłączono źródło ciepła i ręcznie uruchomiono system mgły wodnej. Po ugaszeniu pożaru przez pewien czas utrzymywano wyładowanie mgły wodnej, aby schłodzić olej spożywczy i zapobiec jego ponownemu zapłonowi.

Wyniki eksperymentów

Przeprowadzono w sumie 12 eksperymentów pożarowych w pełnej skali, aby zbadać skuteczność gaśniczą trzech systemów mgły wodnej o różnych charakterystykach rozpylania (ciśnienie wyładowania, natężenie przepływu, kąt rozpylania i wielkość kropli). Zbadany został również wpływ położenia dysz na działanie mgły wodnej. Trzy typy dysz stosowane w serii testowej to dysza uderzeniowa (nr 1), hydrauliczna (nr 2) i spiralna (nr 3). Ciśnienie tłoczenia trzech systemów wahało się od niskiego (2 bary) do wysokiego (70 barów), a natężenie przepływu wody od 1,4 l/min do 28,3 l/min. Wielkość kropli różniła się od D_v0,9 = 120 μ do 350 μ, w zależności od ciśnienia tłoczenia. Kąt rozpylania tych systemów wahał się od 50° do 90°.

System mgły wodnej z dyszą nr 2, który miał niskie natężenie przepływu i małe pokrycie rozpyloną cieczą, nie był w stanie ugasić pożaru oleju spożywczego. Jednak dwa pozostałe systemy z dyszami nr 1 i 3, które charakteryzowały się stosunkowo wysokim natężeniem przepływu i dużymi kątami zraszania, skutecznie rozwiązały problem. Czas gaszenia wynosił od 1 do 15 s po wyładowaniu, w zależności od ciśnienia wylotowego, natężenia przepływu i położenia dyszy. Zwiększenie ciśnienia wylotowego lub zmniejszenie odległości dyszy od powierzchni paliwa poprawiło skuteczność mgły wodnej przez zwiększenie pędu rozpylenia i liczby kropel wody trafiających w ogień.
Eksperymenty wykazały, że pożar oleju kuchennego był bardzo trudny do ugaszenia. Zmierzona w nich temperatura samozapłonu tłuszczu wahała się od 365°C do 372°C. Przez 2 min wolnego palenia pożar rozwinął się z małego płomienia przylegającego do powierzchni cieczy do dużego, sięgającego pod okap. Tempo jego rozwoju przyspieszyło już po pierwszej minucie swobodnego spalania. W przypadku dużego pożaru nad powierzchnią oleju był on dalej podgrzewany do temperatury przekraczającej jego temperaturę samozapłonu w czasie swobodnego spalania.
Najwyższa temperatura oleju zmierzona w eksperymentach wyniosła 403°C, czyli była o 38°C wyższa niż temperatura jego samozapłonu. Poza tym temperatura samozapłonu tłuszczu spadła podczas gaszenia pożaru ze względu na zmianę składu oleju w okresie swobodnego spalania i gaszenia ognia. Spowodowało to ponowny samozapłon cieczy w niższej temperaturze.
W eksperymencie z krótkimi okresami wyładowania mgły wodnej samozapłon oleju spożywczego wystąpił dwukrotnie, krótko po zaprzestaniu gaszenia. Pierwszy - w temperaturze 330°C, drugi - około 300°C. Najniższa temperatura ponownego samozapłonu oleju była o około 65°C niższa niż jego temperatura samozapłonu i o około 100°C niższa niż temperatura tłuszczu pod koniec okresu swobodnego spalania. Nasuwa się zatem następujący wniosek: aby prawidłowo ugasić pożar oleju kuchennego, dysza musi mieć możliwość skutecznego chłodzenia, co obniży temperaturę oleju poniżej temperatury samozapłonu.

Warunki skuteczności technologii

Mgła wodna tłumi pożary głównie za pomocą oddziaływania fizycznego: obniża temperaturę strefy spalania, chłodzenia i rozcieńczania paliwa, wypierania tlenu i par paliwa oraz tłumienia promieniowania cieplnego, ponieważ drobne kropelki wody szybko pochłaniają ciepło z ognia i gorących powierzchni oraz odparowują. Pożary oleju kuchennego ze względu na występowanie otwartego ognia nie mogą być ugaszone za pomocą mgły wodnej przez zmniejszenie stężenia tlenu do poziomu krytycznego dla spalania. Wynika to z obecności wystarczającej ilości tlenu dostępnej w pobliżu palącego się tłuszczu. Można je opanować tylko wtedy, gdy wysoki procent drobnych kropelek wody dostanie się do płomienia i go ochłodzi, a także obniży temperaturę oleju poniżej temperatury samozapłonu.
Temperatury oleju i płomienia są wysokie przez 2 min swobodnego spalania. Wraz z aktywacją systemu mgły wodnej temperatura w obszarze znajdującym się najdalej od powierzchni paliwa szybko się obniżyła, zatem pożar się zmniejszył. Temperatura w pobliżu powierzchni paliwa również spadała wraz z wyładowaniem mgły wodnej, ale w wolniejszym tempie. Mgła wodna potrzebowała 15 s, aby stłumić ogień.

Podczas gaszenia płomieni temperatura oleju nie zmieniła się znacząco, ponieważ większość kropel wody w strefie pożaru szybko wyparowała, zanim dotarły do powierzchni ciekłego tłuszczu. Po ugaszeniu pożaru kropelki wody mogły bezpośrednio uderzyć w powierzchnię paliwa i schłodzić olej, co spowodowało znaczne obniżenie jego temperatury. Temperatura cieczy spadła poniżej temperatury samozapłonu, więc do niego nie doszło. Wyniki testów wskazują, że chłodzenie płomienia i samego tłuszczu są głównymi mechanizmami gaśniczymi mgły wodnej w pożarach oleju kuchennego.
Eksperymenty wykazały, że kilka czynników systemu mgły wodnej - w tym pęd rozpylenia, obszar pokrycia i natężenie przepływu wody - determinuje, czy mgła wodna będzie skutecznie tłumiła pożary oleju kuchennego. W pełni rozwinięty pożar wytworzył nad frytownicą wiele płomieni skierowanych w górę i tylko rozpylone strumienie o dużym pędzie mogły przebić się przez ogień i dotrzeć do powierzchni paliwa, podczas gdy drobne kropelki wody o niskim pędzie zostałyby uniesione w górę przez silny strumień konwekcyjny ognia. Ponadto aby ugasić pożar, ilość rozpylonej wody powinna wystarczyć do schłodzenia płomienia i obniżenia temperatury oleju poniżej temperatury samozapłonu. Skuteczne pokrycie mgłą wodną pozwoliłoby kontrolować wielkość pożaru i zminimalizować przenoszenie ciepła z płomienia do tłuszczu.
Na przykład ilość rozpylonej wody uderzającej w płomień znacznie wzrosła wraz z ciśnieniem wylotowym, ze względu na wzrost natężenia przepływu wody i pędu rozprysku. W rezultacie czas gaszenia pożarów oleju kuchennego i czas obniżenia temperatury oleju z temperatury spalania do wartości poniżej temperatury jego samozapłonu (300°C) znacznie się skraca. Dzieje się tak wraz ze wzrostem ciśnienia tłoczenia, gdy odległość dyszy od powierzchni oleju utrzymywana jest na poziomie 1,1 m.
Przesunięcie dyszy bliżej frytownicy zmniejszy utratę pędu rozprysku i zwiększy liczbę kropel wody uderzających w ogień. Czasy gaszenia i czas potrzebny, by schłodzić olej (od temperatury spalania do wartości poniżej temperatury samozapłonu 300°C), się skraca się liniowo wraz ze zmniejszeniem odległości dyszy od powierzchni paliwa, gdy ciśnienie wylotowe utrzymywane jest na poziomie około 13 barów.
Podczas gaszenia pożaru płonące kropelki oleju nie rozproszyły się poza frytownicą, a temperatura oleju nie wykazywała znaczącego spadku, dopóki pożar nie został ugaszony. Wyniki eksperymentu wykazały, że drobne kropelki wody po wniknięciu w strukturę płomienia nie miały wystarczającego pędu, aby przebić się przez powierzchnię oleju i rozpryskiwać płonący tłuszcz na zewnątrz frytownicy.
Po stłumieniu ognia w części eksperymentów niektóre krople oleju rozpryskiwały się jednak na zewnątrz frytownicy podczas ciągłego rozpylania wody. Wynikało to z faktu, że po opanowaniu ognia kropelki wody mogły bezpośrednio uderzyć w powierzchnię tłuszczu, a niektóre krople wnikałyby w olej zamiast odparowywać. Kropelki wody były szybko podgrzewane przez gorący olej, co powodowało tworzenie się pęcherzyków - te pękały gwałtownie, rozpryskując olej na zewnątrz frytownicy. Przy niskim ciśnieniu tłoczenia i krótkim jego czasie większość kropel wody uderzających w powierzchnię tłuszczu szybko odparowuje, zanim zdąży do niego przeniknąć, co skutkuje mniejszym rozpryskiwaniem się oleju.

Wnioski

Pożar oleju kuchennego w porównaniu z innymi rodzajami pożarów paliw płynnych jest trudny do ugaszenia, ponieważ osiąga wysoką temperaturę i łatwo dochodzi do niego ponownie. W eksperymencie przez 2 min swobodnego spalania w pełni rozwinął się pożar oleju spożywczego, a jego najwyższa temperatura zmierzona w testach wyniosła 403°C i była o 38°C wyższa niż temperatura jego samozapłonu. Najniższa temperatura ponownego samozapłonu oleju była o około 65°C niższa niż jego temperatura samozapłonu i o około 100°C niższa niż temperatura oleju pod koniec okresu swobodnego spalania.
Przy odpowiedniej konstrukcji i działaniu systemu mgła wodna jest w stanie ugasić pożar oleju kuchennego i zapobiec ponownemu zapłonowi tłuszczu. Dominującym mechanizmem gaszenia mgły wodnej w tym przypadku jest chłodzenie płomienia i samego oleju. Pęd rozpylania, obszar pokrycia i natężenie przepływu to trzy najważniejsze czynniki wpływające na skuteczność gaszenia pożaru oleju kuchennego za pomocą mgły wodnej.

Opracowano na podstawie:
Liu Z.G., Kim A.K., Carpenter D.W., Suppression of cooking oil fires using water mist technology, Third International Water Mist Conference, Madryt 2003.

bryg. dr inż. Norbert Tuśnio jest adiunktem w Katedrze Działań Ratowniczych
na Wydziale Inżynierii Bezpieczeństwa i Ochrony Ludności SGSP