Газоразделительное устройство для создания пригодной для дыхания огнеподавляющей гипоксической атмосферы
GAS SEPARATION DEVICE FOR CREATING A BREATHABLE FIRE-SUPPRESSING HYPOXIC ATMOSPHERE

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к способам и устройства для предупреждения и предотвращения пожара, сдерживания огня с ограниченной подачей огнегасительного состава в виде жизнеобеспечивающей гипоксической атмосферы управляемыми сигналами из опасной зоны.
Наиболее прогрессивная технология получения огнеподавляющей гипоксической атмосферы базируется на применении газоразделительных устройств с использованием мембранной технологии.
Метод разделения газовых сред посредством мембранных кислородных установок заключается в разнице в скоростях проникновения различных компонентов газовой смеси через наполнитель мембраны. Процедура разделения определяется разницей в парциальных давлениях различных сторон мембраны.
Для мембранного разделения газов применяют газоразделительные мембраны половолоконные мембраны, состоящие из пористого полимерного волокна с нанесением на внешнюю поверхность газоразделительного слоя. Половолоконная мембрана изготавливается в виде картриджа цилиндрической формы. Использование пористых волокон обеспечивает разделения газов при высоком уровне давления, вплоть до 6,5 МПа, с учетом того, что толщина газоразделительного слоя мембраны не превышает 0,1 мкм, и тем самым обеспечивает высокий уровень проницаемости газов через полимерную мембрану.
2
3
Существующий уровень развития технологий обеспечивает изготовление полимерных материалов, обладающих высокой селективностью при разделении различных газов с достаточной высокой чистотой разделенных газообразных продуктов. Причем плотность укладки волокон в картридже составляет от 500 до 700 м полимерного волокна на 1м картриджа, что обеспечивает минимизацию габаритов инновационных кислородных установок.
2>
2
Известно газоразделительное устройство для создания пригодной для дыхания огнеподавляющей гипоксической атмосферы, содержащее рабочий шкаф, в котором размещен газораспределительный модуль, сообщённый с компрессором подачи сжатого воздуха давлением 3-11 бар, оснащённый осушителем сжатого воздуха и фильтрами тонкой очистки, при этом  газоразделительный модуль выполнен с возможностью разделения сжатого воздуха по степени насыщения кислородом на пермеат – обогащённый по кислороду состав атмосферы и ретентат – гипоксический состав, обедненный по кислороду, с возможностью его разделения на газовую смесь, включающую в себя: кислород 10%<О16%; инертные газы; водяные пары; углекислый газ в количествах, пригодных для дыхания при постоянном использовании в качестве предотвращающей пожар атмосферы или газовую смесь с содержанием кислорода 8%<О>12% для эпизодического использования в качестве огнегасящего агента (патент RU № 2301095 от 11.26.2019, МПК A62C 3/00 (2006.01), A62D 1/06 (2006.01), опубликовано: 20.06.2007. Бюл. № 17).
Данному техническому решению присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, оно имеет назначение, совпадающее с назначением технического решения, и является наиболее близким по достигаемому результату, поэтому оно принято за прототип.
Недостатками прототипа являются ограниченные пожарозащищенность помещений и жизнеобеспечение внутренней атмосферы.
Технический результат от использования заявленного технического решения заключается в повышении пожарозащищенности помещений при сохранении жизнеобеспечения атмосферы.
Ниже раскрыты все общие и частные существенные признаки изобретения, характеризующие их причинно-следственную связь с указанным техническим результатом, достаточные для осуществления специалистом в данной области техники.
2>
2>
2
2
Газоразделительное устройство для создания пригодной для дыхания огнеподавляющей гипоксической атмосферы содержит рабочий шкаф, в котором размещен газоразделительный модуль, сообщённый с компрессором подачи сжатого воздуха давлением 3-11 бар. Устройство оснащено осушителем сжатого воздуха и фильтрами тонкой очистки. Газоразделительный модуль выполнен с возможностью разделения сжатого воздуха по степени насыщения кислородом на пермеат – обогащённый по кислороду состав атмосферы и ретентат – гипоксический состав, обедненный по кислороду, с возможностью его разделения на газовую смесь, включающую в себя: кислород 10%<О16%; инертные газы; водяные пары; углекислый газ в количествах, пригодных для дыхания при постоянном использовании в качестве предотвращающей пожар атмосферы или газовую смесь с содержанием кислорода 10%<О16% для эпизодического использования в качестве огнегасящего агента. Газоразделительное устройство содержит, по меньшей мере, один газоразделительный модуль, включающий в себя полый корпус, в котором размещен блок половолоконных трубчатых мембран, состоящих из пучка пористого полимерного волокна с нанесённым на внешнюю поверхность газоразделительным слоем толщиной 10-100 нм, с возможностью подачи разделяемого газа в межтрубное пространство – пермеат и гипоксическую фракцию – ретентат в виде обедненного по кислороду воздуха. Блок половолоконных мембран герметично закреплен концами посредством эпоксидных коллекторов в указанном корпусе, с возможностью образования входной полости, снабженной входным штуцером. Входная полость соединена с указанным компрессором и сообщена с открытыми торцами волокон. Другой конец блока закреплен герметично в корпусе с возможностью образования выходной полости с выпущенными в неё открытыми торцами волокон, снабженной выходным штуцером, сообщённым с трубопроводной магистралью подачи воздуха в контролируемые помещения. Между указанными герметичными коллекторами крепления блока мембран образовано межтрубное пространство в виде камер. Одна из камер расположена в зоне 1/3 длины корпуса от его торца со стороны входной полости и снабжена штуцером, сообщенным с выпускным трубопроводом с глушителем для сброса пермеата в наружную атмосферу. Газоразделительный модуль выполнен с возможностью работы в трех режимах разделения входного воздуха: первый режим – состав с содержанием кислорода от 10% до 16% и с содержанием азота ниже 90%, пригодный для непродолжительного дыхания с функцией предотвращения возникновения возгорания; второй режим – состав, содержащий кислорода 12%<О>16%, пригодный для постоянного дыхания с выполнением функций предотвращения возгорания; третий режим – состав, в виде пригодной для дыхания огнегасящей смеси, содержащей кислорода 9%<О>12%, а азота ниже 91% для кратковременного критического использования в качестве огнегасящего агента. Огнегасящий агент размещён в аварийном ресивере под давлением 11-300 бар, сообщённом с трубопроводной магистралью, соединяющей все контролируемые помещения кольцевой трубной разводкой со смонтированными на трубных отводах, в каждое из подконтрольных помещений с выпускными клапанами соленоидного типа. Газоразделительное устройство снабжено средствами дросселирования в виде системы клапанов регулировки давления и настройки по содержанию кислорода в гипоксической фракции и связанной с контрольной панелью, оснащенной датчиками кислорода, установленными в защищаемых помещениях. Оно снабжено датчиком и регулятором температуры и влажности на входе в газораспределительные модули. Между входным штуцером и указанной трубопроводной магистралью предусмотрен байпас с возможностью удаления из подконтрольных помещений гипоксической атмосферы путём продувки сжатым воздухом перед входом в них людей. Устройство может быть снабжено дополнительной ёмкостью для сбора и хранения гипоксического воздуха под давлением 2-10 бар с возможностью порционного выпуска во внутреннюю среду защищаемого помещения огнегасящего состава. Устройство снабжено соленоидным клапаном для выпуска огнегасящего состава в защищаемое помещение через установленное после него выпускное сопло с глушителем. Выходное отверстие устройства извлечения кислорода может быть дополнительно сообщено с емкостью высокого давления подачи огнегасящего состава, выпускаемого во внутреннюю среду при ликвидации пожара. Два и более газоразделительных модуля могут быть соединены последовательно прилежащими одинаковыми. Два и более газораспределительных модуля могут быть соединены параллельно в секции общими трубопроводными коллекторами подачи воздуха и отвода пермеата, при этом трубопроводные коллектора, объединяющие отверстия для выпуска ретентата разнесены относительно объединенных секций.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 – общий вид газоразделительного устройства; на фиг. 2 – разделительный модуль с частичным продольным разрезом.
Газоразделительное устройство 1 для создания пригодной для дыхания огнеподавляющей гипоксической атмосферы содержит рабочий шкаф 2, в котором размещен газоразделительный модуль 3, сообщённый с компрессором 4 подачи сжатого воздуха давлением 3-11 бар.
Устройство оснащено осушителем сжатого воздуха 5 и фильтрами тонкой очистки 6.
2>
2
Газоразделительный модуль 3 выполнен с возможностью разделения сжатого воздуха по степени насыщения кислородом на пермеат – обогащённый по кислороду состав атмосферы и ретентат – гипоксический состав, обедненный по кислороду, с возможностью его разделения на газовую смесь, включающую в себя; кислород 10%<О16%; инертные газы; водяные пары; углекислый газ в количествах, пригодных для ограниченного дыхания при постоянном использовании в качестве предотвращающей пожар атмосферы или газовую смесь с содержанием кислорода 9%<О>12% для эпизодического использования в качестве огнегасящего агента.
Газоразделительное устройство 1 содержит, по меньшей мере, один газоразделительный модуль 3, включающий в себя полый корпус 7, в котором размещен блок 8 половолоконных трубчатых мембран, состоящих из пучка пористого полимерного волокна 9 с нанесённым на внешнюю поверхность газоразделительным слоем толщиной 10-100 нм, с возможностью подачи разделяемого газа в межтрубное пространство 10.
Сжатый воздух разделен на обогащенную по кислороду фракцию – пермеат и гипоксическую фракцию – ретентат в виде обедненного по кислороду воздуха.  Блок 8 половолоконных мембран герметично закреплен эпоксидными коллекторами 11 концами в указанном корпусе 7, с возможностью образования входной полости N, снабженной входным штуцером 12.
Входная полость N соединена с указанным компрессором 4 и сообщена с открытыми торцами волокон 9.
Другой конец блока 8 закреплен герметично в корпусе 7 с возможностью образования выходной полости L с выпущенными в неё открытыми торцами волокон 8, снабженной выходным штуцером 13, сообщённым с трубопроводной магистралью 14 подачи воздуха в контролируемые помещения 15.
Между указанными герметичными коллекторами крепления блока мембран образовано межтрубное пространство S в виде камер 16.
По меньшей мере, одна из камер 16 расположена в зоне 1/3 длины корпуса 7 от его торца со стороны входной полости N и снабжена штуцером 17, сообщенным с выпускным трубопроводом 18 с глушителем 19 для сброса пермеата в наружную атмосферу.
2
2
Газоразделительный модуль 3 выполнен с возможностью работы в трех режимах разделения входного воздуха: первый режим – состав с содержанием кислорода от 10% до 16% и с содержанием азота ниже 90%, пригодный для непродолжительного дыхания с функцией предотвращения возникновения возгорания; второй режим – состав, содержащий кислорода 12%<О>16%, пригодный для постоянного дыхания с выполнением функций предотвращения возгорания; третий режим – состав, в виде пригодной для дыхания огнегасящей смеси, содержащей кислорода 9%<О>12%, а азота ниже 91%, а азота ниже 91% для кратковременного критического использования в качестве огнегасящего агента.
Огнегасящий агент размещён в аварийном ресивере 20 под давлением 11-300 бар, сообщённом с трубопроводной магистралью 14, соединяющей все контролируемые помещения 15 кольцевой трубной разводкой со смонтированными на трубных отводах, в каждое из подконтрольных помещений 15 с выпускными клапанами 21 соленоидного типа.
Газоразделительное устройство 1 снабжено средствами дросселирования (не показано) в виде системы клапанов регулировки давления и настройки по содержанию кислорода в гипоксической фракции и связанной с контрольной панелью, оснащенной датчиками кислорода 33, установленными в защищаемых помещениях 15.
Оно снабжено датчиком 22 и регулятором температуры 23 и влажности 24 на входе в газораспределительные модули 3.
Между входным штуцером 12 и указанной трубопроводной магистралью 14 предусмотрен байпас 25 с возможностью удаления гипоксической атмосферы из подконтрольных помещений 15 путём их продувки сжатым воздухом перед входом в них людей.
Газоразделительное устройство 1 снабжено дополнительной ёмкостью 26 для сбора и хранения гипоксического воздуха под давлением 2-10 бар с возможностью порционного выпуска во внутреннюю среду защищаемого помещения 15 огнегасящего состава.
Устройство снабжено соленоидным клапаном 27 для выпуска огнегасящего состава в защищаемое помещение 15 через установленное после него выпускное сопло 28 с глушителем 29.
Выходное отверстие устройства 1 извлечения кислорода может быть дополнительно сообщено с емкостью высокого давления подачи огнегасящего состава, выпускаемого во внутреннюю среду при ликвидации пожара (не показано).
Два и более газоразделительных модуля 3 могут быть соединены последовательно прилежащими одинаковыми полостями или соединены общими одноименными трубопроводами 30.
Два и более газораспределительных модуля могут быть соединены параллельно в секции общими трубопроводными коллекторами подачи воздуха и отвода пермеата, при этом трубопроводные коллектора, объединяющие отверстия для выпуска ретентата разнесены относительно объединенных секций.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета, в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Следовательно, совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии изобретения указано его назначение, оно может быть изготовлено промышленным способом и использовано для обеспечения пожарозащищенности объекта с сохранением жизнеспособности атмосферы защищаемых помещений.
Техническое решение работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в формуле, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в прототипе – патенте RU № 2301095, ставшим общедоступным до даты приоритета изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, а в выявленных таких решениях не подтверждена известность влияния отличительных признаков на указанный в материалах заявки технический результат.
Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат – повышение пожарозащищенности помещений при сохранении жизнеобеспечения атмосферы.
Следовательно, предложенное техническое решение может быть получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Осуществление заявленного изобретения достигается реализацией указанного назначения.
Устройство монтируется в хорошо вентилируемом машинном отделении и работа осуществляется следующим образом. Компрессор 4 производит забор атмосферного воздуха и сжимает его до 6 – 13 атм, после чего сжатый воздух подвергается осушению 5 и фильтрации в фильтрах тонкой очистки 6 и обработке в адсорбционной колонне 32 для удаления паров масел и эфиров, которые могут разрушить блок мембрану.
Далее чистый сжатый воздух поступает в блок 8 половолоконных трубчатых мембран, в котором он разделяется на обогащенную по кислороду фракцию – пермеат, которая удаляется в наружную атмосферу через выпускной трубопровод 18 с глушителем 19 в наружную атмосферу и гипоксическую фракцию (9%-15% кислорода) – ретентат, поступающую в трубопроводную магистраль 14 и в контролируемые помещения 15.
При этом гипоксическая фракция направляется в защищаемое помещение 15 для создания там пригодной для дыхания пожаробезопасной атмосферы в диапазоне от 10% до 16% по кислороду.
Устройство работает в прерывном режиме, получая команду от контрольной панели 31, которая, в свою очередь, получает информацию от датчиков 22, 23, 24 и датчиков кислорода 33, установленных в помещениях 15.
Контрольной панелью 31 совместно с автоматикой 34 и контрольным датчиком 35 поддерживается заданный режим работы устройства 1.
Конкретнее, при подаче гипоксического воздуха с 10% кислорода и выборе диапазона защиты помещения от 14% до 15%, установка деактивируется при достижении уровня 14% и включается опять, только когда уровень кислорода в помещении 15 поднимется за счет инфильтрации свежего воздуха до 15%.
При этом защищаемое помещение 15 заполняется гипоксическим воздухом, пригодным для дыхания длительное время, т.к. объем кислорода для дыхания при 15% такой же, как и на высоте 2.8 км над уровнем моря, что безопасно и даже рекомендовано для людей с различными заболеваниями
При уровне кислорода в помещении 15 от 10% до 16% возгорание практически невозможно, что надежно защищает от риска пожара. Это особенно важно для защиты помещений 15 с особо ценными предметами в музеях, галереях и архивах, легковоспламеняющимися материалами и жидкостями, центров компьютерной обработки данных.
Предложенное устройство позволяет экономить энергию за счет автоматической деактивации системы в период достижения нижнего уровня диапазона защиты, т.к. может пройти много часов, пока за счет инфильтрации свежего воздуха будет достигнут верхний уровень и система активируется.
За счет подачи гипоксического воздуха создается слегка повышенное давление в защищаемых помещениях 15, что предотвращает проникновение пыли и вредных примесей и газов извне. Это положительно влияет на состояние хранящихся предметов, работу компьютеров и т.д.
Газоразделительное устройство 1 может находиться в спящем режиме до активации в случае возникновения пожара и выпуска огнегасящего состава из емкости высокого давления.
При этом устройство будет производить огнегасящий состав до тех пор, пока соленоидный клапан не будет закрыт после устранения риска пожара и запас огнегасящего состава в емкости высокого давления не будет восстановлен полностью.
Газоразделительное устройство 1 может также находиться в спящем режиме до активации и в случае падения давления в ресивере высокого давления.
При этом устройство будет производить огнегасящий состав до тех пор, пока его запас в ресивере высокого давления не будет восстановлен полностью. После этого устройство отключается автоматически,
Данное решение также значительно снижает энергетические затраты, поскольку не потребляет энергию в спящем режиме.
Газоразделительное устройство 1 может быть смонтировано на грузовом автомобиле, плавучем транспортном средстве, либо другой мобильной платформе и доставлено в место эксплуатации.
Реализация изобретения позволяет повысить пожарозащищенность помещений при сохранении жизнеобеспечения атмосферы, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.