СИСТЕМЫ ПОДАВЛЕНИЯ ОГНЯ
FIRE SUPPRESSION SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к техническим приемам подавления огня и особенно к техническим приемам подавления огня с использованием каталитических средств подавления.
Уровень техники
Для подавления огня известно множество технических приемов, в том числе технические приемы с использованием каталитических средств подавления. Требуются усовершенствованные технические приемы для подавления и обнаружения огня, а также более удобные технические приемы для испытания таких систем.
Краткое изложение чертежей
На фигуре 1 схематически обобщенно воспроизведена зона пожара.
Фигура 2 представляет собой пример результата гидрогазодинамических вычислений с демонстрацией линий обтекания и векторов скорости для ламинарного потока воздуха после стадии, на которой формируется зона циркуляции, в которой может образоваться область стабилизированного пламени.
Фигура 3 представляет собой пример результата гидрогазодинамических вычислений с демонстрацией линий обтекания и векторов скорости для турбулентного потока воздуха после стадии, на которой формируется зона циркуляции, в которой может образоваться область стабилизированного пламени.
Фигура 4 представляет собой вид в разрезе вертикального трубопровода с показом зоны огня и области стабилизированного пламени.
Фигура 5 представляет собой вид в разрезе горизонтального трубопровода с показом зоны огня и области стабилизированного пламени.
Фигура 6 представляет собой общий вид внутренней поверхности, которая определяет объем реактивного двигателя, с демонстрацией выпуклостей, которые влияют на поток воздуха и топлива.
Фигура 7 представляет собой общий вид наружной граничной поверхности гондолы реактивного двигателя.
Фигура 8 представляет собой общий вид проточного объема гондолы реактивного двигателя с демонстрацией мест входа и выпуска потока воздуха через зону горения.
Фигура 9 представляет собой вид в разрезе гондолы реактивного двигателя, иллюстрирующий поле скоростей, согласно компьютерному моделированию расчета гидрогазодинамики воздушного потока через гондолу.
Фигура 10 представляет собой общий вид гондолы реактивного двигателя, иллюстрирующий пример линий обтекания, показывающих путь естественного потока через гондолу.
На фигурах 11а и 11b показаны общий вид и вид сверху на линии обтекания, которые распространяются обратно из области стабилизированного пламени в расположение инжектора.
Фигура 12 представляет собой боковую проекцию в разрезе кабины воздушного судна, иллюстрирующую путь естественного потока через герметизированную зону и расположение индикаторов огня или дыма, и инжекторов средства подавления огня, которые соединены с областями стабилизированного пламени.
Фигура 13 представляет собой боковую проекцию в разрезе трубопровода, иллюстрирующую множество инжекторов, расположенных таким образом, что средство подавления огня, выходящее из каждого инжектора, направляется по пути естественного потока в направлении области стабилизированного пламени.
Фигура 14 представляет собой боковую проекцию в разрезе корпуса компьютера, иллюстрирующую инжектор, расположенный таким образом, что средство подавления огня, выходящее из инжектора, направляется по пути естественного потока в направлении множества областей стабилизированного пламени.
Фигура 15 представляет собой боковую проекцию в разрезе вытяжного колпака, иллюстрирующую множество инжекторов, расположенных таким образом, что средство подавления огня, выходящее из каждого инжектора, направляется по пути естественного потока в направлении области стабилизированного пламени.
На фигуре 16 показана боковая проекция в разрезе топливного резервуара, иллюстрирующая инжектор, расположенный таким образом, что средство подавления огня, выходящее из инжектора, направляется по пути естественного потока в направлении области стабилизированного пламени.
На фигуре 17 показана боковая проекция в разрезе частично замкнутого помещения с резервуаром, расположенным вне частично замкнутого помещения.
Фигура 18 представляет собой боковую проекцию в разрезе частично замкнутого помещения с резервуаром, расположенным внутри указанного помещения.
Фигура 19 представляет собой увеличенный вид инжектора, распределяющего средство подавления огня на пути естественного потока, входящего в область стабилизированного пламени.
Фигура 20 представляет собой увеличенный вид струи, расположенной на пути естественного потока таким образом, что под действием потока флюида вокруг струи создается явление Вентури, вытягивающий средство подавления огня из струи в естественный поток, текущий в направлении области стабилизированного пламени.
Фигура 21 представляет собой вид сбоку с частичным разрезом гондолы реактивного двигателя с системой подавления огня активным средством.
На фигуре 22 изображена блок-схема технического средства подавления огня, используемая с активным средством подавления огня в условиях испытания с неактивным тестируемым агентом.
На фигуре 23 приведен график сопоставления плотности импульса испытуемого средства подавления огня с плотностью испытуемого активного средства подавления огня, обнаруженного в области стабилизированного пламени, по времени.
На фигуре 24 изображена блок-схема системы подавления огня с использованием средства затопления.
На фигуре 25 изображена блок-схема системы подавления огня с использованием средства сдувания.
На фигуре 26 приведено графическое изображение импульсов активного средства и средства затопления, и выходные данные детектора.
Фигура 27 представляет собой вид в разрезе гондолы реактивного двигателя (фиг.21), включающей систему обнаружения пожара.
На фигуре 28 изображена блок-схема системы подавления огня на воздушном судне.
Фигура 29 представляет собой вид сбоку на систему подавления огня с использованием снаряда для транспортирования активного средства подавления огня непосредственно в зону горения.
На фигуре 30 показан вариант осуществления изобретения, где средство подавления огня расходуется во время аварийного приземления воздушного судна.
Фигура 31 представляет схематично иллюстрацию системы подавления огня, применяемой на воздушном судне.
Фигура 32 представляет собой вид сбоку портативного огнетушителя.
Краткое изложение изобретения
В первом замысле изобретения система подавления огня может включать структуру, имеющую источник топлива, всасывающее и выпускное устройство, обеспечивающее поток воздуха через структуру; реакционноспособный агент; реакционную зону, в которой реакционноспособный агент превращается с образованием каталитического средства подавления огня; и точку впрыскивания, связанную со структурой для селективного выделения реакционноспособного агента для контакта с реакционной зоной таким образом, чтобы каталитическое средство подавления огня перемещалось под действием потока воздуха для того, чтобы подавить огонь, связанный с точкой воспламенения в этой структуре.
В дополнительном аспекте система подавления огня может включать структуру, отличающуюся трассой потока воздуха, в котором может происходить прилипание пламени, по меньшей мере, в одной точке во время пожара; и средство подавления огня, которое, взаимодействуя с образованием каталитического агента подавления огня, селективно транспортируется по пути воздушного потока для каталитического подавления огня при прилипании пламени.
В еще одном аспекте способ подавления огня может включать впрыскивание реакционноспособного агента в реакционную зону, в которой реакционноспособный агент образует химические частицы, которые каталитически вмешиваются в химию пламени; и транспортирование химических частиц в пламя.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Теперь обратимся к фиг.1, где можно выявить четыре характеристики зоны горения:
1. Объем, который частично окружен границей 1.
2. Одно или несколько отверстий, через которые окислитель может входить и выходить из частично окруженного объема; на фиг.1 они обозначены позициями 2 и 5.
3. Источник сгораемого топлива; на фиг.1 он обозначен позицией 3.
4. Источник воспламенения.
Примером зон горения может быть вентилируемый трубопровод над фритюрницей с жиром. Этот трубопровод имеет замкнутый объем с одним или несколькими входными и выходными отверстиями, причем застывший жир обеспечивает топливо, воспламенение которого происходит от искры в моторе вентилятора вытяжного колпака или от горячих участков при приготовлении пищи. Другим примером зоны горения может быть гондола реактивного двигателя; она активно вентилируется для охлаждения внутренних деталей, углеводороды или флюиды трансмиссии являются топливом, и горячие поверхности или электрические искры обеспечивают воспламенение. Дополнительные примеры зон горения могут представлять собой отсеки автомобильных двигателей, вентилируемые корпуса компьютеров, телекоммуникационные пункты переключения, трубопроводы природного газа, топливные резервуары и другие обособленные участки с источниками воспламенения и отверстиями, через которые поступают топливо и окислитель.
Окислитель представляет собой материал, который взаимодействует с топливом с выделением энергии. Наиболее общим газообразным окислителем является воздух. Другие газообразные окислители включают чистый кислород и газовые смеси, отличающиеся от воздуха, которые содержат кислород или озон, газообразный хлор, оксиды азота, трифторид азота и тому подобные. Обычные жидкие и твердые окисляющие вещества включают бром, броматы, хлорированные изоцианураты, хлораты, хроматы, бихроматы, гидропероксиды, гипохлориты, неорганические пероксиды, пероксиды кетонов, нитраты, азотную кислоту, нитриты, пербораты, перхлораты, периодаты, перманганаты, пероксиды, пероксикислоты и персульфаты.
Для инициирования горения требуются топливо, окислитель и источник воспламенения. После воспламенения сам огонь играет роль постоянного источника воспламенения, таким образом для продолжения горения необходимы только потоки топлива и окислителя. Существуют, по меньшей мере, пять способов подавления огня:
(i) ограничение потока топлива в зону горения;
2
2
(ii) ограничение или замена потока окислителя инертными газами (например, N, СО или Ar);
3
(iii) отвод тепла из зоны горения, чтобы охладить ее ниже температуры, необходимой для самоподдержания горения, например испарение жидкой воды или пиролиз NaHCO);
(iv) применение механического сдвига флюида для того, чтобы предотвратить смешивание окислителя и топлива (то есть задувать огонь);
3
(v) вмешательство в химию пламени (например, добавки «Галонов», подвижных средств подавления, которые описаны в патенте США 5626786, CFI и др.).
2
На практике одновременно могут быть использованы несколько таких способов. Например, Галон 1211 (CFBrCl) представляет собой жидкость, которая испаряется за счет тепла пламени в соответствии с процессом (iii), замещает кислород в соответствии с процессом (ii) и генерирует атомы Br и Cl, которые вмешиваются в химию пламени в соответствии с процессом (v). Аналогично, вода в качестве агента подавления испаряется в соответствии с процессом (iii) и замещает окислитель в соответствии с процессом (ii).
Пути естественных потоков окислителя и/или топлива могут быть использованы для эффективного транспортирования реакционноспособных агентов подавления в области стабилизированного пламени внутри зон горения. Такое использование естественных потоков, которые нацелены в области стабилизированного пламени, позволяет подавлять огонь, используя значительно меньшие количества агента по сравнению с тем, которое требуется в способе полного затопления. Традиционно, требования полного затопления определяются по объему зоны горения и кратности воздухообмена для того, чтобы поддерживать равномерную концентрацию агента выше порогового значения в течение заданного периода времени. С учетом степени, с которой агент затопления обтекает области стабилизированного пламени, этот способ не является эффективным для подавления огня. Количество средства подавления, необходимое для подавления огня путем затопления, может быть эффективно снижено или исключено за счет использования путей естественных потоков для транспортирования средств подавления в зону горения. Реакционноспособные агенты подавления представляют собой материалы, которые химически или физически взаимодействуют в зоне горения с образованием химических частиц, которые каталитически вмешиваются в химию пламени.
При разработке системы подавления огня могут быть охарактеризованы пути естественных потоков или областей окислителя и топлива в зоне горения, Подразумевается, что термин "путь естественного потока" включает набор траекторий окислителя и топлива через зону горения, как в условиях обычной работы, так и в условиях, когда в зоне горения имеется пламя. Во многих проточных условиях путь естественного потока может быть описан с помощью линий обтекания, которые представляют собой поле линии течения, касательные к которым в любой точке проходят в том же самом направлении, когда поток находится в этой точке. В качестве альтернативы могут быть использованы локальные поля скоростей, чтобы оценить пути естественного потока через зону горения. Этот путь естественного потока, независимо от природы потока: ламинарный или турбулентный, дозвуковой или сверхзвуковой, невязкий или вязкий, обладает тем свойством, что передает момент агенту подавления, и, следовательно, может быть использован для транспортирования агента внутри зоны горения. Следует отметить, что путь естественного потока может представлять собой путь потока любого флюида или газа, которые естественно находятся в частично замкнутом помещении. Существует множество способов для того, чтобы охарактеризовать эти потоки, в том числе (но без ограничения перечисленным): визуализация потока, компьютерная гидрогазодинамика, измерение скоростей и направлений потока и их сочетания. Визуализация потока включает в себя наблюдение, фотографирование или видеозапись движения частиц, трассеров потока, дымов или других видимых сред, которые следуют по линиям обтекания поля течения. Компьютерная гидрогазодинамика включает решение уравнений движения для газов и жидкостей в потоке с учетом законов сохранения энергии и момента путем математического моделирования потоков в зоне горения, как набора ограниченных пространственных элементов. Измерение скоростей потока выполняется путем размещения датчиков потока (например, трубок Пито, турбин, расходомеров и т.п.) в поле течения и мониторинг электрических сигналов, которые представляют скорости и направления потока. Эти технические приемы могут быть использованы индивидуально или в сочетании для того, чтобы количественно охарактеризовать поля течения окислителя и топлива в зоне горения.
При разработке системы подавления огня целесообразно дать определение областям стабилизации пламени или прилипания внутри зоны горения. Термины «прилипание пламени или стабилизация пламени» хорошо известны специалистам-практикам в области техники горения и описаны, например, в книгах «Combustion Theory», FormanWilliams (New York: Addison-Wesley) 1985, особенно в главе 12, и «Principles of Combustion», Kenneth Kuo (New York: Wiley) 1986, особенно в главе 9. Области стабилизированного пламени расположены там, где вихреобразование или циркуляция потока окислителя сочетается с источником топлива для обеспечения возможности пространственной стабилизации пламени. Этот процесс также известен как прилипание пламени или стабилизация пламени. В ламинарных (фиг.2) или турбулентных (фиг.3) потоках воздуха поперек ступени или вокруг объекта с тупым концом, такого как ступень 23 или 31, генерируются области стабилизированного пламени, которые могут быть активизированы, когда топливо вводится в циркулирующие потоки 24.
Пример области стабилизированного пламени показан на обобщенной зоне горения фиг.1, где топливо из источника 3 сталкивается и смачивает твердый выступ 9. Воздух, который поступает из входа 2, циркулирует вблизи выступа 9, и пламя прилипает в этой области после воспламенения топливовоздушной смеси. Другой пример области стабилизации пламени, показанный на фиг.4, представляет собой поперечное сечение вертикального трубопровода. Воздушный поток 43 всасывается вентилятором 44, смонтированным на выходе из трубопровода. Фланцы 41, которые соединяют участки трубопровода, выступают в зону горения и могут быть покрыты сгорающими остатками приготовления пищи, такими как застывшие жиры или масла. Эти выступы могут обеспечивать точки прилипания пламени в поле течения трубопровода, поскольку в них встречаются циркулирующие потоки окислителя и топлива.
Другой пример естественных потоков и области стабилизированного пламени показан как вид в разрезе ступени на фиг.2. Воздух поступает через вход 21 и формируется граничный слой 22, прежде чем поток пройдет через ступень 23. Эта ступень вызывает циркулирующий поток воздуха, который изображен на фиг.2 в виде векторов скорости (стрелки) и линий обтекания (сплошные линии). Такая геометрия ступени вызывает циркуляцию, которая обеспечивает стабилизацию пламени в области, обозначенной замкнутыми линиями 24 обтекания. Воздух выходит через другое отверстие 25.
Поле течения на фиг.2 является ламинарным; аналогичные результаты получены для турбулентного потока над ступенью 31, как показано на фиг.3. Область 32 стабилизированного пламени развивается ниже по потоку от ступени 31 и обнаруживается по циркуляции, которая привязывает пламя к этой области в присутствии топлива и источника воспламенения. Как и на фиг.2, локальные векторы скорости обозначены стрелками, и сплошные линии соответствуют линиям обтекания в турбулентном потоке.
4
2
4
Теперь обратимся к фиг.5, где изображен другой пример стабилизации пламени как вид в разрезе трубопровода, соединенного фланцем 53, где горючий газ 51, такой как силан (SiH), водород (Н) или метан (СН), под низким давлением проходит через участки трубы или трубопровода. Уплотняющая прокладка 52 выступает в поток топлива, а воздух поступает через трещину 54 в сварке вблизи соединения. В зоне циркуляции, в которой соединяются топливо, окислитель и циркуляционный нижний поток от выступающей прокладки, создается область стабилизированного пламени в местах, обозначенных позицией 55.
Еще один пример области стабилизированного пламени можно обнаружить внутри гондолы реактивного двигателя на фигурах 6, 7 и 8. Эта гондола представляет собой торообразный объем, который окружен корпусом двигателя (фиг.6) и наружной оболочкой воздушного судна (фиг.7). Как видно из фиг.8, воздух поступает через два погруженных трубопровода 82 и проходит вокруг выпуклостей, таких как вспомогательная коробка передач 63, до выхода через один из двух решетчатых воздушных клапанов 83.
Количество агента, который проходит по пути естественного потока в области стабилизированного пламени, можно определить с помощью стандартных приемов, которые известны специалистам в области химии. Например, мониторинг газообразного агента можно осуществить, помещая масс-спектрометр или оптический детектор в области стабилизированного пламени, с последующей регистрацией потока агента, который приходит в данное место, после выхода системы в естественный поток внутри зоны горения.
В качестве альтернативы могут быть использованы приемы компьютерной динамики флюидов, для расчета доли впрыскиваемого агента, который поступает, в области стабилизированного пламени.
Доля впрыскиваемого агента, которая поступает в область стабилизированного пламени в традиционной системе полного затопления, равна части суммарного объема зоны горения, в которой имеются области стабилизированного пламени. Количество агента, направленного в области стабилизированного пламени, может превышать эту долю, по меньшей мере, на 10%, предпочтительно на 50% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 75% больше однородной дозы, которая имеет место в условиях полного затопления.
Воздействие целевого подавляющего агента на естественные потоки, которые проходят через области стабилизированного пламени, значительно снижает количество агента, которое необходимо для того, чтобы погасить огонь. Для примера рассмотрена зона горения, которая имеет объем 100 литров и которая имеет области стабилизированного пламени, суммарный объем которых равен 2 литрам. Если концентрация агента, необходимая для подавления огня, составляет 1 грамм на литр (г/л), тогда потребуется общая масса агента 100 грамм при традиционном заполнении зоны горения агентом с гасящей концентрацией. При использовании естественных потоков для увеличения доли агента, которая достигает областей стабилизации пламени на 10% от величины затопления, необходимое количество агента снизится до 90,9 грамм в соответствии с формулой:
в которой ес означает концентрацию гашения или минимальную концентрацию подавляющего агента, вводимого для локального подавления очагов горения в область (области) стабилизации пламени, m означает массу подавляющего агента, вводимого в зону горения, V - это объем зоны горения и ef означает коэффициент усиления, связанный с введением агента в естественные потоки, которые проходят через области стабилизации пламени. В конкретном примере, цитированном выше, ec=1 г/л, V=100 литров, и ef составляет 10% или 0,1. Решая уравнение (1) относительно m, получим:
При увеличении доли агента, которая достигает области стабилизированного пламени на 50% (ef=0,5), в этом примере потребуется только 66,7 грамм агента, и если эта доля увеличится на 75%, то потребуется только 57 грамм агента. Из рассмотрения уравнения, использованного в этом примере, очевидно, что будут получены аналогичные результаты для зон горения с другими объемами, для областей стабилизированного пламени с другими объемами и для агентов с другими концентрациями гашения, которые являются регулируемыми параметрами, необходимыми для компенсации агента, который выходит через одно или несколько отверстий в зоне горения.
-1
В соответствии с этой формулой максимально возможное усиление реализуется, когда агент вводится исключительно в естественные потоки, которые поступают в области стабилизированного пламени. В предшествующем примере потребовались 2 г агента для того, чтобы обеспечить концентрацию гашения 1 г·л в области стабилизированного пламени объемом два литра, таким образом, максимальный коэффициент усиления равен 4900%=49:
В итоге, уменьшение количества агента, которое требуется для подавления огня, может быть достигнуто путем направленного введения агента в естественные потоки, по которым он поступает в области стабилизированного пламени. Это уменьшение можно оценить количественно, как коэффициент усиления, который можно измерить непосредственно путем определения концентрации агента в областях стабилизированного пламени зоны горения, используя масс-спектрометрию, оптическую спектрометрию, газовую хроматографию или т.п. методы, и расчета отношения, во сколько раз эта концентрация превышает отношение массы агента к объему всей зоны горения. В качестве альтернативы можно оценить этот коэффициент усиления путем титрования зоны подавления огня массой агента и сопоставления с массой агента, которая необходима для подавления огня путем полного затопления (то есть без использования естественных потоков для достижения областей стабилизированного пламени).
Целесообразно выбирают реакционноспособный подавляющий агент таким образом, чтобы при введении в среду, окружающую зону горения, могли образоваться частицы, которые каталитически ингибируют горение. Эти частицы, которые каталитически ингибируют горение, увеличивают скорости рекомбинации радикалов пламени, таких как ОН, Н, и другие реакционноспособные фрагменты, которые являются промежуточными соединениями при горении. Примеры таких каталитически активных частиц включают (но не ограничиваются) атомы Br, Cl и I и молекулы HBr, HCl и HI. Агенты, которые образуют такие каталитически активные частицы, включают углеводородные и фторуглеводородные частицы, содержащие Br, Cl или I, например:
3
3
CFBr+теплота => CF+Br
3
3
CFBr+Н => CF+HBr.
3
3
Эти агенты активизируются под действием тепла и в присутствии атомов водорода в зоне горения с выделением каталитически активного агента в пламя. Другие примеры реакционноспособных агентов представляют собой нестабильные бромсодержащие частицы, такие как РВr, описанный в патенте США 5626786, в котором имеются более слабые связи с бромом, чем в соответствующих галоидуглеродных соединениях. Нестабильные бромсодержащие средства подавления, такие как PBr, под действием тепла и атомарных частиц в зоне горения превращаются следующим образом:
3
3
PBr+теплота => PBr+Br
2
PBr+теплота => PBr+Br
PBr+теплота => Р+Br
3
3
PBr+Н => PBr+HBr
3
PBr+Н => PBr+HBr
PBr+Н => Р+HBr
Кроме того, нестабильные бромсодержащие агенты поставляют бром в зону горения в результате гидролиза влагой окружающей среды следующим образом:
3
2
3
PBr+3HO => 3HBr+Р(ОН).
Каталитическая активность атомов галогенов является результатом реакционных циклов, в которых катализатор не расходуется и не образуется; скорее он повышает скорость превращения частиц в пламени, которые иначе могли бы вступить в экзотермические реакции, поддерживающие огонь. Например, окисление атомов водорода (до воды) представляет собой наиболее мощный энергетический аспект горения углеводородов. Одним примером каталитического действия атомов брома является процесс:
H+Br+M => HBr+M
H+HBr => H
+Br
2
2
В итоге: H+H => H
и для HBr:
2
H+HBr => H+Br
Br+H+M => HBr+M
2
В итоге: H+H =>H.
Превращение атомов водорода в молекулы предотвращает его окисление, снижает выделение тепла в зоне горения, и, таким образом, гасится пламя. Другие каталитические реакции, включающие радикалы ОН, топливные радикалы и так далее, являются возможными, и они могут давать вклад в гашение пламени, что очевидно для специалистов в области химической кинетики.
2
2
2
3
Каталитически активные частицы могут генерироваться путем взаимодействия агента с другими частицами в воздушном потоке (например, O, N, НО), в потоке топлива (например, углеводороды, спирты или другие горючие среды), или на окружающих поверхностях (например, алюминия, стали). Например, PBr взаимодействует с влагой на поверхности и в воздухе в соответствии с уравнением:
3
2
3
3
PBr+3HO => 3HBr+НРО.
Образующийся в этой реакции с влагой HBr принимает участие в тех же самых каталитических циклах для подавления огня, которые описаны выше.
2
2
3
4
3
Кроме каталитической активности при подавлении огня атомами брома, хлора и йода могут быть использованы другие атомарные или молекулярные частицы для каталитического вмешательства в химию пламени. Например, твердые частицы оксидов, стабильных к термическому окислению, таких как SiO (диоксид кремния), AlO (оксид алюминия) и т.п., предоставляют негорючие поверхности, которые оказывают каталитическое воздействие на рекомбинацию атомарных частиц в водород-кислородном пламени. Такие частицы могут образоваться, например, при взаимодействии SiBr или AlCl с кислородом и водой в зоне горения с образованием очень мелких частиц оксидов (от нанометров до нескольких микрометров, также называются дымом). В этом отношении частицы очень малого размера являются особенно эффективными, поскольку они обеспечивают большую площадь поверхности на единицу массы агента.
3
2
3
3
2
2
3
3
3
4
4
3
Каталитические частицы, такие как атомы Br, Cl и I, образуются в результате пиролиза традиционных Галонов, таких как CFBr (Галон 1301) и CFBrCl (Галон 1211), CFI и т.п., однако эти агенты могут обладать меньшей эффективностью, чем нестабильные бромсодержащие материалы. Каталитически активные галогены прочно связаны с атомом углерода и, таким образом, они более трудно активизируются в пламени и могут оказывать нежелательное воздействие на окружающую среду, что делает их менее привлекательными в качестве агентов тушения, чем нестабильные бромсодержащие материалы. Эффективность нестабильных бромсодержащих материалов, которые включают PBr, POBr, SOBr, BrF, BrF, PBr, TiBr, SiBr, IBr, CuBr, NOBr, BrF, BBr и BrCl, как описано в патенте США 5626786, обеспечивает подавление огня с меньшей массой и объемом агента по сравнению с Галонами. Агенты для подавления огня с лабильными, то есть слабо связанными, атомами хлора или йода также являются эффективными агентами, поскольку эти агенты выделяют атомарный хлор или йод, которые каталитически ингибируют горение.
При разработке системы подавления огня также важным фактором является выбор места и способов приведения в движение вводимого агента в зону горения. При таком подходе требуется идентификация областей стабилизации пламени и полей течения для окислителя и топлива. Местоположение ввода агента выбирают таким образом, чтобы облегчить транспортирование агента в области стабилизации пламени с помощью естественных потоков окислителя (например, воздух) и топлива (например, углеводороды). Это снижает массу системы подавления огня и ее сложность по сравнению с традиционными системами, поскольку используются естественные поля течения для транспортирования агента в области стабилизации пламени в зоне горения.
Средства подавления можно хранить в резервуарах, патронах или контейнерах, которые защищают агенты от действия окружающей среды до тех пор, пока они потребуются для тушения огня. Внутренняя часть этого резервуара, патрона или контейнера соединена с зоной горения через диафрагму, клапан или отверстие, с помощью которого средство подавления поступает во время тушения огня. Для того чтобы распылить или инжектировать агент в естественный поток, который приходит в область стабилизации пламени, на агент необходимо воздействовать моментом количества движения с помощью движущей силы. Эта движущая сила может быть физической, как, например, сжатый газ или флюид; химической, как, например, газогенерирующий патрон с легковоспламеняющимся твердым веществом; механической, как, например, пружина и поршень; электромеханической, как, например, насос; или флюидно-механической, как, например, явление Вентури, которое генерируется естественным потоком через диафрагму. В ходе работы источник момента (то есть движущая сила) может быть использован для приведения в движение агента из резервуара через отверстие для того, чтобы транспортировать агент в естественный поток, который поступает в устройство для поддержания пламени внутри зоны горения.
Приемы приведения в движение зависят от фазы (твердая, жидкая, газообразная), в которой находится агент, и от характера поля течения, в которое его инжектируют (ламинарное, турбулентное, смешанное). Обычно на агент действует давление выше атмосферного, и агент подается через клапан или форсунку в зону горения. Это давление может быть создано за счет повышения статического давления агента или динамического повышения давления, как, например, с помощью механической пружины или легковоспламеняющегося твердого вещества, генератора инертного газа. Характер и величина повышения давления, временная зависимость и геометрия форсунки или трубопровода выбирают таким образом, чтобы оптимизировать транспортирование агента под действием естественных потоков в области стабилизации пламени зоны горения и, таким образом, минимизировать размер и сложность компонентов; в противном случае потребуется полностью и равномерно диспергировать агент в пространстве со сложной геометрией.
Пламени внутри зон горения могут иметь различную интенсивность и могут присутствовать в одной или нескольких областях стабилизации пламени внутри зоны горения. Кроме того, выделение тепла и химические процессы в пламенях вызывают изменения давления, которые видоизменяют поля течения для окислителя и топлива в присутствии огня. Влияние горения на естественные поля течения можно моделировать, используя методы компьютерной гидрогазодинамики или предпочтительно путем тушения тестируемого пламени, которое отрегулировано при заданных условиях давления, потока, температуры и теплопередачи.
При разработке системы подавления огня может быть важным анализ полей потока в зоне горения, в том числе идентификация областей стабилизации пламени в этой зоне. Также важен выбор подавляющего агента, при введении которого в зону горения генерируются каталитически активные частицы, которые вмешиваются в химию горения с гашением огня. Местоположение и способы приведения в движение вводимого агента могут быть выбраны для максимальной эффективности транспортирования агента по естественным потокам в областях стабилизации пламени внутри зоны горения. Предпочтительно могут быть использованы испытания в характерных условиях для того, чтобы подтвердить действенность способа подавления и эффективность подбора агента, точки впрыскивания и способа распыления.
Необходимое количество агента для подавления огня внутри зоны горения могут быть минимизированы, поскольку агент эффективно транспортируется по имеющимся потокам топлива и окислителя в области, где наиболее выражен эффект подавления.
Масса, объем и сложность элементов трубной обвязки, таких как трубопроводы, клапаны, коллекторы и тому подобное, сведены к минимуму, так как агент транспортируется по естественным потокам в области стабилизации пламени внутри зоны горения.
Общее воздействие агента на окружающую среду, и особенно, на окружающую среду в зоне горения может быть сведено к минимуму, поскольку количество агента минимизировано. Воздействие на окружающую среду включает вклады в истощение озона в стратосфере, глобальное потепление и другие последствия химических выделений, которые известны специалистам в области наук об окружающей среде.
Кроме того, за счет подбора агентов подавления, которые быстро выделяются в активной форме в зону горения, можно ослабить воздействие на окружающую среду, поскольку эти реакционноспособные материалы обычно являются неустойчивыми в окружающей среде.
Примеры окружающих сред, в которых присутствуют потоки окислителя и топлива и источник воспламенения, включают вентиляционные трубопроводы, гондолы двигателей воздушного судна, вентилируемые шкафы с электроникой, кабины воздушного судна с повышенным давлением, средства телекоммуникации или посты переключения в электроэнергетической системе, вытяжные колпаки для дыма, трубопроводы природного газа, распределительные шкафы химикатов, дымовые трубы, нефтеперерабатывающие заводы и т.п. Эти зоны горения характеризуются одним или несколькими отверстиями, которые обеспечивают вход потоков окислителя и топлива в зону и выход из зоны, внутри которых имеются области стабилизации пламени, которые могут поддерживать горение.
Компьютерное моделирование гидрогазодинамики зоны горения с применением методов ограниченных элементов может быть использовано при разработке системы подавления огня. Характерный результат такого расчета показан на фиг.1 для обобщенной зоны горения. Окислитель (воздух) входит в отверстие 2 и по множеству путей естественного потока проходит через эту зону. Локальные векторы скорости обозначены стрелками, и три характерных пути естественного потока показаны как линии 6, 7 и 8 обтекания на фиг.1. Линии обтекания 6 идентифицированы путем интегрирования поля скоростей в прямом и обратном направлении по времени от области 4 стабилизированного пламени таким образом, что агент, введенный выше стабилизатора пламени и на этом пути потока, эффективно подается в область стабилизированного пламени. Реакционноспособное средство подавления, введенное вдоль линии 7 обтекания, распространяется вокруг области стабилизированного пламени и, следовательно, будет менее эффективным при тушении огня. Реакционноспособное средство подавления, введенное внутри пути потока, обозначенного линией 8 обтекания, также не проникает в область стабилизации пламени, и он циркулирует внутри зоны горения. Поэтому введение средства подавления на пути естественного потока, обозначенного линией 7 обтекания, увеличивает концентрацию агента подавления огня в области 4 стабилизированного пламени, выше того уровня концентрации, который был бы в области 1 затопления с агентом подавления огня.
3
3
3
Важным является выбор реакционноспособного агента подавления огня, который образует частицы каталитического подавления пламени при воздействии на окружающую среду гондолы. Предпочтительным агентом является трибромид фосфора (PBr), нестабильное бромсодержащее средство подавления огня, описанное в патенте США 5626786, который включен в это изобретение как ссылка, поскольку при пиролизе PBr быстро образуются атомы Br и HBr за счет реакции атомов водорода в пламени и гидролиза, когда этот агент выделяется в среду, окружающую пламя, а также потому, что он имеет очень короткое (<1 секунды) время жизни в тропосфере, и, следовательно, у PBrотсутствует потенциал как относительно истощения озона в стратосфере, так и по глобальному потеплению.
3
2
3
Нестабильный бромсодержащий (PBr) агент представляет собой плотную жидкость. Предпочтительно перемещение агента в зону горения может быть осуществлено с помощью негорючего сжатого газа (N) или другого распылителя, который частично растворим в жидкости. Растворимость газообразного распылителя в жидкости также приводит к снижению температуры замерзания жидкости и, следовательно, снижает минимальную рабочую температуру системы подавления. В конкретном случае подавления огня в самолетах, где требуется рабочая температура до -65°С, обычно препятствует применению PBr, температура замерзания которого при атмосферном давлении равна -45°С. В соответствии с законом Генри растворимость газа в жидком агенте при заданной температуре пропорциональна парциальному давлению газа. Другими словами, мольная доля растворенного газа увеличивается с ростом давления газа. Степень, с которой газ растворяется в жидкости, зависит от химического состава газа и жидкости, а также от температуры раствора; эта взаимоотношение количественно определяется константой закона Генри, что хорошо известно специалистам в области физической химии. Понижение точек замерзания или плавления за счет растворения одного вещества в другом представляет собой хорошо известное коллигативное свойство растворов. В предпочтительном варианте осуществления давление газообразного азота подбирают таким образом, чтобы обеспечить снижение температуры замерзания ниже чем -65°С и чтобы обеспечить перемещение жидкого агента из резервуара во всем диапазоне температур в оболочке воздушного судна, необходимом для полета. Установлено, что этим критериям соответствует давление около 1,7 МПа (250 фунт на квадратный дюйм); могут быть использованы другие сочетания газа и жидкого агента, причем диапазоны рабочих давлений и температур рассчитываются на основе соответствующих констант закона Генри и коллигативных свойств растворов, как описано выше.
3
Понижение температуры замерзания агента за счет растворения сжатого газа очень эффективно для других областей применения, где агент подавления может претерпевать фазовый переход, что в ином случае в значительной степени осложнило бы его подачу. Например, при температуре замерзания потребовалось бы либо нагревать резервуар с PBr, чтобы предотвратить застывание агента, либо выбирать менее эффективный агент. В любом из этих вариантов увеличилась бы масса средства подавления, а также коллекторов, клапанов и трубопроводов, необходимых для защиты гондолы двигателя от пожара. При подавлении огня в частично замкнутых помещениях, находящихся в Заполярье, в подводных лодках, на большой высоте над уровнем моря, и в других холодных окружающих средах, также можно получить преимущества от понижения температуры замерзания, как описано выше.
Агент подавления может храниться в резервуаре до тех пор, пока в зоне горения не обнаружится огонь. С целью подачи агента подавления в зону горения к нему может быть приложена движущая сила в качестве средства изменения момента количества движения агента, чтобы транспортировать агент из резервуара в зону горения. Когда агент для подавления огня находится внутри зоны горения, за транспортирование агента могут быть ответственны главным образом естественные потоки окислителя и топлива. Эффективная движущая сила может быть механической, как, например, поршень, перемещаемый пружиной; электромеханической, как, например, шприц, перемещаемый соленоидным приводом, или перистальтический насос; химической, как, например, легковоспламеняющаяся твердая газогенерирующая композиция; или физическая, как, например, расширение сжатого, не воспламеняющийся газ или эффект Вентури естественного потока.
3
2
3
3
Вещества, которые содержат хлор, бром или йод, обладают потенциалом истощения озона в стратосфере, если они достаточно долго удерживаются в тропосфере для того, чтобы транспортироваться в стратосферу, где под действием солнечного ультрафиолетового излучения могут выделиться свободные атомы Cl, Br или йода, и катализировать превращение озона (О) в молекулярный кислород (О). Потенциал истощения озона (ПИО) представляет собой отношение воздействия на озон химического продукта по сравнению с воздействием такой же массы CFCl (также известен как СРС-11). Таким образом, по определению ПИО для CFCl равен 1,0.
Другие хлорфторуглеродные соединения и хлорфторуглеводородные соединения имеют величины ПИО в диапазоне от 0,01 до 1,0. Для Галонов величины ПИО изменяются вплоть до 10. Для четыреххлористого углерода значение ПИО равно 1,2, и для метилхлороформа ПИО равен 0,11. Для фторуглеводородных соединений ПИО равен нулю, поскольку они не содержат хлора. Для значений ПИО веществ имеется некоторая неопределенность, поскольку точно неизвестны численные значения времени жизни в атмосфере, скорости реакций химических продуктов, квантового выхода при фотолизе и т.п. величины. Таким образом, приведенные в таблице 1 диапазоны значений ПИО основаны на консенсусе внутри научной общественности, что систематизировано в Монреальском протоколе относительно соединений, которые истощают озоновый слой, подписанном большинством стран в 1987 году и в значительной степени модифицированном в 1990 и 1992 гг.
Аналогично, потенциал глобального потепления (ПГП) представляет собой показатель, разработанный в Киотском протоколе для рамочной конвенции ООН по изменению климата, который обеспечивает равноценное сопоставление различных «парниковых» газов. ПГП представляет собой лучеиспускающую стимуляцию роста, происходящую от добавления 1 килограмма газа в атмосферу по сравнению с равной массой диоксида углерода. В течение 100 лет метан имеет ПГП, равный 21, а ПГП оксида азота равен 310: Оба показателя ПИО и ПГП чувствительны к времени жизни веществ в атмосфере и их величины определяются в соответствии с международными договорами. Воздействие ПГП на окружающую среду также включает в себя оптические свойства веществ, в частности их способность поглощать и излучать инфракрасное излучение.
Таблица 1 представляет собой перечень веществ, разрушающих озоновый слой, с текущими оценками величины их потенциала истощения озона по данным Агентства по защите окружающей среды, США. Для некоторых из этих величин дан интервал значений, соответствующий неопределенности времени жизни в атмосфере, фотофизики ультрафиолетового излучения и химической кинетики для этих соединений. Кроме того, в таблице приведены значения времени жизни в атмосфере и потенциала глобального потепления, которые сформулированы в Акте чистого воздуха.
Как можно понять из определения потенциала истощения озона, ПИО смеси, такой как распылитель и средство подавления, будет представлять собой усредненные по массе значения потенциалов истощения озона для компонентов смеси. Таким же образом, потенциал глобального потепления смеси представляет собой усредненные по массе значения потенциала глобального потепления компонентов смеси.
Теперь обратимся к фиг.6, 7 и 8, на которых раскрыт предпочтительный вариант изобретения, применяемый при подавлении горения в гондоле реактивного двигателя воздушного судна. Гондола двигателя представляет собой объем, который окружен наружной поверхностью корпуса двигателя, показанного на фиг.6, и аэродинамической оболочкой, показанной на фиг.7. Зона горения в типичной гондоле, показанной на фиг.8, вентилируется двумя входными каналами 82, которые извлекают поток воздуха из зоны пониженного давления за движущимся воздушным судном, и двумя отверстиями 83, основной задачей которых является обеспечение охлаждения внутренних деталей. Внутри объема гондолы выступает различная арматура, рукава, кабели и структуры, которые могут генерировать области стабилизированного пламени, как описано выше. Примером такой области стабилизированного пламени в типичных условиях полета является пространство 86 сзади дополнительной коробки 63 передач.
Теперь обратимся к фиг.9, для которой могут быть найдены пути естественных потоков через зону горения с помощью компьютерных расчетов гидрогазодинамики, как описано выше. Результат типичного расчета для входной скорости потока воздуха 150 метров в секунду показан на виде в разрезе фигуры 9, где один из входов 81, выпускных каналов 82 и область 86 стабилизированного пламени сзади дополнительной коробки 63 передач соответствуют тем же положениям, показанным на фиг.6 и 8. Стрелками показаны направления потоков, а их длина соответствует относительной скорости воздушных потоков, входящих и проходящих через гондолу.
Теперь обратимся к фиг.10, на которой показаны пути естественных потоков через эту зону горения, которые могут быть рассчитаны путем интегрирования начальных координат в поле скоростей. На фиг.10 показан пример пяти таких путей 103, которые начинаются вблизи входа 101 и продолжаются поперек вертикального внутреннего плана до выхода через нижний выпуск 102.
Может быть выгодным систематически обозначать все области стабилизированного пламени, в том числе область 102 стабилизированного пламени. Затем линии обтекания из этих областей могут быть проинтегрированы по обратному времени для того, чтобы идентифицировать точки впрыскивания, в которые эффективно можно транспортировать средства подавления для областей стабилизированного пламени. Различные характеристики расчетов поля течения, такие как турбулентность потоков на входе, взаимодействие потоков скольжения воздушного судна с входными и выходными потоками, влияние условий полета, сжимаемость потоков воздуха и тому подобное, хорошо известны специалистам в области техники потоков текучих сред и аэродинамики, и они описаны в стандартных научных трудах, таких как «Компьютерная механика текучих сред и теплопередача», авторы - John Tannehill, Dale Anderson и Richard Pletcher (Philadelphia: Taylor и Francis) 1997 (ISBN 1-56032-046-Х) или «Физическая гидрогазодинамика», автор D.J.Tritton (Oxford: Clarendon Press) 1988 (ISBN 0198544936).
Обратимся теперь к фигурам 11а и 11b c двумя видами пяти естественных потоков в область 110 стабилизированного пламени, вдоль линий 111 обтекания, которые проинтегрированы обратно в область вблизи пилона 112 двигателя, из которого инжектированный агент подавления огня может транспортироваться в огонь. Этот прием можно повторять для каждого стабилизатора пламени внутри зоны горения, причем могут быть использованы одна или несколько точек впрыскивания для агента. В этой конкретной зоне горения показано расположение для резервуара 113, содержащего средство подавления огня, вблизи к монтажной области пилона двигателя, который используется для инжекции и транспортирования средства подавления по пути естественных потоков во все области стабилизированного пламени внутри зон горения.
Визуализация в соответствии с альтернативным и дополнительным аспектом изобретения может быть осуществлена путем приклеивания пленочной нити к внутренним поверхностям фактического двигателя и последующего фотографирования ориентации нити при различных условиях входного потока. Визуализация дыма, образовавшегося при горении фактической арматуры гондолы, также может быть использована для подтверждения идентификации пути естественных потоков в зоне горения.
Анализ пути естественных потоков и стабилизаторов пламени позволяет оптимизировать число и расположение точек впрыскивания агента для того, чтобы обеспечить подачу средств подавления во все области стабилизированного пламени из минимального числа точек впрыскивания. Например, в случае конкретной гондолы двигателя согласно анализу показана единственная точка вблизи пилона 112, и экспериментально подтверждено, что этого достаточно для полного подавления огня внутри гондолы.
Теперь обратимся к фиг.12, где показано подавление воспламенений в типичной герметичной кабине воздушного судна. Воздух, отбираемый компрессором двигателя, фильтруется и увлажняется до поступления через клапан 121 в занятую область кабины 122. Один естественный поток следует по пути 123 из занятой области через авиационную электронику и аккумуляторное помещение 124 в электрическую канавку 125, которая расположена под полом кабины, и окончательно через клапан 126, регулирующий давление, то есть выбрасывается наружу, в воздух. При подавлении огня в зонах горения 123 и 124 используется естественный поток для того, чтобы транспортировать агент из места ввода или места выброса агента, такого как показано позицией 127, в каждую область стабилизированного пламени, избегая необходимости затопления всей кабины гасящим агентом, который может быть опасным для пассажиров в кабине. Геометрия и области стабилизированного пламени изменяются в зависимости от конкретной конструкции кабины воздушного судна, так что может потребоваться множество инжекторов. Использование пути естественных потоков для распределения агента в области стабилизированного пламени улучшает эффективность подавления и уменьшает габариты и массу системы подавления.
Теперь обратимся к фиг.13, где показаны технические приемы для подавления огня в трубопроводе. Естественные потоки внутри трубопровода могут быть вызваны внешним вентилятором на входе, на выходе, внутри трубопровода или за счет их сочетания. На естественные потоки в основном направлении, обозначенном позицией 133, через трубопровод влияют выпуклости, такие как фланцы 131, винты, изгибы, соединения, тройники и тому подобное. Пространство после этих выпуклостей могут действовать как стабилизатор 134 пламени, если в трубопроводе имеется источник топлива. Это топливо может иметь вид застывшей смазки в трубопроводе над кухонной плитой, воспламеняющихся паров в трубопроводе, который вентилирует шкаф-хранилище, пирофорных газов из течи в установке для производства полупроводников, горючих веществ в трубопроводах нефтехимических продуктов и тому подобное. Средство 135 подавления можно напускать или инжектировать в естественные потоки через места 132 в направлении, противоположном основному направлению 133 потока, и предназначается непосредственно для областей 134 стабилизированного пламени. В этой противоточной инжекции используется передача момента движения от естественного потока в поток агента, чтобы замедлить течение агента и увеличить время его пребывания вблизи областей 134 стабилизированного пламени.
Поле течения внутри трубопровода и каждой потенциальной области стабилизированного пламени можно рассчитать, измерить и идентифицировать на основе циркуляции воздуха и доступности топлива. Ссылаясь на фигуры 1 и 2, можно ожидать, что циркуляция ниже выпуклостей, вероятно, будет областью стабилизированного пламени внутри трубопровода. На фиг.13 показаны места 132 впрыскивания и направления использования естественных потоков для того, чтобы обеспечить проникновение агента в области стабилизированного пламени и поддержание подавляющей концентрации в течение максимально возможного времени. Конкретно, направление агента против основного потока ниже каждой выпуклости вызывает моментальное реверсирование зон циркуляции, а также торможение и повторное ускорение агента под действием естественных потоков внутри трубопровода.
Теперь обратимся к фиг.14, где горение в вентилируемом шкафу также может быть подавлено с помощью инжекции агента вдоль путей естественных потоков. В таком шкафу может быть хранилище легковоспламеняющихся веществ, но это также может быть шкаф для размещения электрических или электронных элементов, таких как серверы компьютеров, телекоммуникационные переключатели и тому подобное. Эти компоновки в виде схемы раскрыты на фиг.14, и они могут отличаться от примера гондолы в деталях потока, воспламенения и топливных условий. На этой фигуре воздух приводится в движение с помощью вентилятора 141 вдоль пути естественных потоков, таких как 140, вокруг различных монтажных плат, трансформаторов и других потенциально легковоспламеняющихся элементов 143, до выхода из шкафа через множество выпускных отверстий 142. Активная вентиляция предотвращает накопление легковоспламеняющихся паров, а также охлаждает соединительные провода электрических компонентов естественными потоками внутри шкафа, которые приводятся в движение за счет тепловой конвекции, адвекции и диффузии. Как можно понять с помощью предшествующего обсуждения, анализ области стабилизированного пламени и пути естественных потоков может быть выполнен с помощью сочетания компьютерной и экспериментальной гидрогазодинамики. Области стабилизированного пламени вблизи источника горючего материала, такого как пластиковая изоляция, объединенное жидкое топливо, легковоспламеняющиеся пары и тому подобное, могут быть идентифицированы, затем естественные потоки, которые транспортируют средство подавления в эти области, могут быть использованы для идентификации условии и мест впрыскивания средств 145 подавления.
Теперь обратимся к фиг.15, где сочетание шкафа и трубопровода может слегка отличаться от вытяжного колпака для паров, такого как используется в химических лабораториях. Для транспорта средства подавления в области стабилизированного пламени могут быть использованы естественные потоки над рабочей поверхностью вытяжного колпака 151, идущие через вентиляционную решетку 153 в трубопровод 154, который может быть изогнут, в вентилятор 155 и окончательно через вытяжную трубу 156 в атмосферу. На фиг.15 для введения агента 157 используется принудительный поток от вентилятора 155 для того, чтобы обеспечить подавление огня в области между вентиляционной решеткой 153 и вытяжной трубой 156, так как естественный поток системы распределяет агент 157 в соответствии с настоящим изобретением.
Теперь обратимся к фиг.16, где подавление огня также может быть осуществлено в частично замкнутом пространстве топливного резервуара с топливом 161. Обычно пути естественного потока в топливном резервуаре, главным образом, являются конвективными, однако обычно присутствуют клапан 164 сброса давления или воздушный клапан и отверстие 163, через которое резервуар может быть заполнен. Воздух над топливом в резервуаре, иногда называемый незаполненным объемом 162, насыщен парами топлива при температуре жидкости, так что лимитирующим фактором для горения обычно является кислород. Если загорание начинается в топливном резервуаре от искры или другого источника воспламенения, тогда выделяющееся тепло вызывает конвективные потоки 165; эти потоки и поток через клапан 164 сброса давления представляют собой естественные потоки в топливном резервуаре, причем для инжекции агента в соответствующих положениях, таких как 166, могут быть использованы эти естественные потоки, чтобы транспортировать агент в области, где возможна стабилизация пламени.
В описанных выше компоновках использован реакционноспособный агент, который образует каталитически активные частицы при введении агента в зону горения. После того как детектируется возгорание, этот агент из контейнера или резервуара может быть введен через инжекционный канал в зону горения.
Теперь обратимся к фиг.17, где резервуар 175 находится вне зоны горения и соединен с зоной трубопроводом, патрубком 176 или фланцем. Агент вводится в естественный поток 171 зоны горения, который транспортирует агент в область 174 стабилизированного пламени, где циркуляция и топливный поток из области 173 стабилизируют пламя.
Теперь обратимся к фиг.18, где резервуар 185, который содержит реакционноспособный агент, размещен внутри зоны горения; в этом варианте исключается потребность в трубопроводе, патрубке или фланце, что обычно приводит к уменьшению массы, объема и сложности системы. На этой фигуре агент инжектируется из резервуара 185 через клапан 186 и форсунку на путь естественного потока 181, что ведет в область 184 стабилизированного пламени, который смочен топливным потоком из области 183.
Инжекция агента на пути естественных потоков в зоне горения с помощью движущей силы предназначена для приспособления естественных потоков для транспорта агента в области стабилизированного пламени. Хотя может быть желательно инжектировать как можно больше доступного средства подавления на эти пути естественных потоков, ограничения геометрии, конструкции форсунки, гидрогазодинамики и других конструкционных критериев могут привести к тому, что не все средство подавления распределяется на пути естественных потоков, которые ведут в области стабилизированного пламени. Количество средства подавления, которое требуется распределить на пути естественных потоков, которые ведут в области стабилизированного пламени, чтобы эффективно подавить горение, может зависеть от средства подавления. Предпочтительно, по меньшей мере, 10 мас.% средства подавления, выходящего из форсунки, будет распределяться непосредственно на пути естественных потоков, которые транспортируют агент в области стабилизированного пламени. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, 50 мас.% средства подавления, выходящего из форсунки, было распределено непосредственно на пути естественных потоков, ведущих в области стабилизированного пламени. Оптимально, по меньшей мере, 75 мас.% средства подавления, выходящего из форсунки, может распределяться непосредственно на путях естественного потока, который ведет в области стабилизированного пламени.
Теперь обратимся к фиг.19, где резервуар 190, который содержит сжатый газ 193 и насыщенный раствор газа в жидком средстве 192 подавления, может быть отделен от зоны горения клапаном 191 и небольшим участком трубопровода 197. Естественный поток в зоне 195 горения показан стрелкой, и ссылаясь на фиг.2, выпуклости внутри потока дают область 194 стабилизированного пламени. Показано, что агент приводится в движение в направлении области 194 стабилизированного пламени и против направления основного потока. В такой компоновке основной поток моментально изменяет направление, обеспечивая проникновение средства подавления в область стабилизированного пламени. Кроме того, передача момента движения от основного потока сначала замедляет, а затем изменяет направление инжектируемого вещества. В результате время пребывания агента вблизи области 194 стабилизированного пламени, а также эффективность подавления огня могут быть доведены до максимума.
Теперь обратимся к фиг.20, где путь естественного потока, ведущий к стабилизатору пламени, может быть использован для всасывания средства подавления из резервуара под действием явления Вентури. Введение форсунки в сильный естественный поток 201 вызывает падение давления перед форсункой 202, в результате агент всасывается через клапан 203 из резервуара 204 в естественный поток. В этом подходе резервуар 204 со средством подавления работает при атмосферном давлении, и в качестве движущей силы для подачи активного средства подавления используется явление Вентури. Как и ранее, идентификация области стабилизированного пламени и расположения точек для инжекции агента, которые обеспечивают пути естественных потоков в эти области, является желательной для практического осуществления настоящего изобретения.
3
Теперь обратимся к фигурам от 21 до 26, где раскрыты технические приемы для испытания систем подавления огня того типа, в котором инжектируется активные транспортирующие агенты, такие как PBr, на пути потоков для того, чтобы подавать агенты каталитического подавления, такие как HBr, в области стабилизированного пламени для подавления горения. В частности, может быть выбран тестируемый агент, который транспортируется с помощью пути потока, в основном, таким же образом, как транспортируется агент каталитического подавления. Тестируемый агент можно инжектировать почти из той же точки впрыскивания, из которой будет инжектироваться активный транспортирующий агент. Затем может быть определено присутствие тестируемого агента в областях стабилизации пламени, для того чтобы установить, является ли достаточным количество каталитического агента подавления, поданного по пути потока в область стабилизации пламени, для подавления огня.
Для подавления горения необходимо наличие определенного числа молекул агента каталитического подавления огня в объеме, окружающем область стабилизации пламени, в течение времени, которое достаточно для протекания каталитических реакций, которые гасят огонь, например, путем ингибирования достаточного числа экзотермических реакций, чтобы снизить температуру топлива ниже точки воспламенения. Каждая молекула агента каталитического подавления может ингибировать множество экзотермических реакций, поскольку молекула каталитического агента может не разрушаться при ингибировании одной или нескольких экзотермических реакций. Необходимое число молекул агента подавления и время, в течение которого эти молекулы должны присутствовать в области стабилизированного пламени для того, чтобы вызвать гашение, может сильно зависеть от условий горения, например от интенсивности подачи топлива и окислителя, а также геометрии области стабилизации пламени. Кроме того, хотя может быть абсолютно минимальное количество, или критическое число, молекул агента каталитического подавления, которое должно присутствовать для того, чтобы ингибировать конкретное возгорание в конкретной области стабилизированного пламени, время, необходимое для гашения, может уменьшаться в зависимости от числа таких присутствующих молекул. То есть когда количество или число молекул агента каталитического подавления увеличивается, тогда уменьшается минимальное время контакта молекул агента каталитического подавления в области стабилизации пламени, необходимое для гашения огня.
3
2
2
Количество агента каталитического подавления огня и время, необходимое для гашения, можно выражать различными способами. Необходимое количество каталитического агента может быть выражено как число молекул или более традиционно как масса каталитического агента. В целях удобства количество агента типично выражается как количество или масса агента на единицу объема с помощью таких терминов, как "плотность" и "концентрация", которые могут иметь размерность «масса/длина». Термин "поток" может быть использован для того, чтобы представить количество или массу агента, которые проходят в область стабилизации пламени как функция времени и имеют размерность «масса/(длина·время). Поток равен произведению локальной плотности на локальную скорость потока, выраженную в единицах «длина/время». Для определения удельной поверхности могут быть использованы отверстие или диафрагма, через которые может проходить поток, причем поверхность может иметь размерность «длина».
Скорость массового потока через отверстие представляет собой произведение потока и поверхности элемента, такого как отверстие или диафрагма, через которые проходит поток, и может иметь размерность «масса/время». Термин доза может представлять собой интеграл скорости массового потока во времени, или иначе, интеграл произведения потока на поверхность во времени. Единицей дозы является масса, которая относится к суммарному количеству вещества, такому как агент каталитического подавления огня, которое проходит через определенную площадь или объем. Скорость дозирования может быть производной от дозы по времени, или иначе, является произведением потока на площадь, или массовая скорость потока. Скорость дозирования имеет размерность «масса/время».
Таким образом, каталитические частицы подавления огня, которые ингибируют горение за счет уменьшения тепла, выделенного в области стабилизированного пламени, препятствуют протеканию процессов выделения тепла или экзотермических химических процессов в ходе горения. Для достижения подавления огня используется наличие критической плотности или концентрации каталитического агента подавления и критической массовой скорости потока или скорости дозирования каталитического агента подавления. Численные значения этих величин или их эквивалентов зависят конкретно от состава и скоростей потоков топлива и окислителя, а также от геометрии области стабилизированного пламени.
Другими словами, хотя каждая молекула каталитического агента подавления может ингибировать множество экзотермических реакций, в зоне горения должно присутствовать достаточно молекул каталитического агента подавления в течение времени, достаточного для того, чтобы подавить или ингибировать экзотермические процессы и вызвать гашение. То есть каталитический агент подавления должен иметь концентрацию или плотность в объеме области стабилизированного пламени в течение времени, достаточного, чтобы вызвать гашение. Это можно представить в виде требования о наличии критической массы каталитического агента подавления в течение критического интервала времени, обеспечивающего гашение. Отношение критической массы к критическому времени может быть названо критической скоростью дозирования.
Теперь обратимся конкретно к фиг.21, где описан пример подавления огня применительно к гондоле 250 реактивного двигателя, показанной в виде с частичным разрезом. Реактивный двигатель 252 смонтирован внутри гондолы 250 и включает различные препятствия 254 на поверхности гондолы, такие как трубки, каналы и другие детали, которые более подробно описаны выше в связи с фигурами 6, 7 и 8. В обычном режиме работы значительный поток воздуха, показанный как воздух 256 двигателя, втягивается внутрь вместе с топливом и выпускается из двигателя 252, создавая тягу. В зависимости от реактивного двигателя и рабочих условий поток воздуха 256 может входить с высокой скоростью, например 300 узлов или морских миль в час. Кроме того, гораздо меньший и более медленный воздушный поток может проходить через приблизительно цилиндрическое воздушное пространство 251 между двигателем 252 и гондолой 250. Одна часть этого воздушного потока, которая может проходить со скоростью 10 или 15 узлов, показана в виде пути естественного потока 258. Путь потока 258 может иметь частичные затруднения от различных конструктивных препятствий, которые изображены как препятствия 254, и, следовательно, путь может быть не прямолинейным.
Система подавления огня является эффективной и может потребоваться для гашения пламени, которое возникает внутри воздушного пространства 251 во время работы двигателя. Такое пламя может возникать во многих положениях, в зависимости от источников топлива, такого как реактивное топливо, и окислителя, такого как воздух, на пути потока 258, находящихся внутри воздушного пространства 251. Каждое такое положение может рассматриваться как область стабилизированного пламени в этом огне или пламя может присутствовать в каждом таком положении во время горения двигателя. Объем области стабилизированного пламени, такой как область 262 стабилизированного пламени вблизи всасывающего воздушного пространства 251 или область 254 стабилизированного пламени, вблизи выхода на пути потока 258 можно обычно рассматривать как, область, имеющую цилиндрическую форму, простирающуюся от наружной поверхности реактивного двигателя 252 к внутренней поверхности гондолы 250. Высота пространства стабилизированного пламени, окружающего область 262 стабилизированного пламени, видна на общем, виде сбоку для области 262 стабилизированного пламени, показанной на фиг.21. Диаметр пространства стабилизированного пламени, окружающего область 262 стабилизированного пламени, виден на общем виде сверху для области 264 стабилизированного пламени, также показанной на фиг.21.
Точная форма пространства, окружающего каждую область стабилизированного пламени, не является критической, однако полезно знать объемы области стабилизированного пламени для того, чтобы конструировать и вводить в эксплуатацию систему подавления огня. Как описано более подробно ниже, в связи с фигурами 24 и 25, в традиционных технических приемах подавления огня используются системы подавления огня путем затопления или сдувания огня. В первой системе подавления путем затопления, применяемой для подавления горения в гондоле 250 реактивного двигателя, показанной на фиг.21, требуется, чтобы агент подавления огня подавался таким образом, чтобы заполнить все воздушное пространство 251 между двигателем 252 и гондолой 250. В этом техническом приеме подавления огня требуется большое количество агента подавления огня и средство заполнения воздушного пространства 251. Хотя для заполнения воздушного пространства 251 могут быть использованы одна или даже несколько мест впрыскивания, время, необходимое для получения желательной концентрации агента подавления огня во всем воздушном пространстве 251 от большего числа мест впрыскивания, будет уменьшаться. В традиционной системе подавления огня требуется, чтобы пространство оставалось заполненным в течение заданного интервала времени, например 6 секунд, после достижения полного затопления. Обычно в традиционных технических приемах подавления огня путем сдувания требуется, чтобы поток агента подавления огня подавался в каждую область стабилизированного пламени в течение времени, достаточного для гашения огня. При таком подходе подавления огня обычно требуется инжекция агента из множества точек, причем трудно провести испытания без требования фактического горения объекта, такого как гондола реактивного двигателя, чтобы определить эффективность подавления огня. Традиционные технические приемы подавления огня путем затопления и сдувания могут быть усовершенствованы за счет использования транспорта активных агентов и/или каталитических агентов подавления.
Как показано на фиг.21 и описано ниже для активной системы подавления огня, типично будет требоваться существенно меньше агента подавления огня и относительно малое число мест инжекции для того, чтобы добиться гашения. Кроме того, активная система подавления огня может быть испытана без необходимости подавления настоящим пожаром, если определены области стабилизированного пламени и пути воздушных потоков. В частности, для того чтобы подавить горение, представленное областями 262 и 264 стабилизированного пламени вдоль пути естественного потока 258, необходимо лишь транспортировать достаточную массу активных частиц агента подавления огня вдоль пути потока 258 таким образом, чтобы была доступна критическая масса молекул активных частиц в обоих объемах, окружающих области 262 и 264 стабилизированного пламени, в течение времени, достаточного для подавления горения, путем каталитического ингибирования экзотермических реакций в достаточной степени, чтобы снизить температуру в каждой области ниже температуры горения.
Может быть целесообразной такая конструкция активной системы подавления огня, чтобы подать значительно больше каталитического агента подавления, чем критическая масса, которая описана выше, чтобы обеспечить коэффициент безопасности. Общее количество агента подавления, которое будет подано с помощью активной системы подавления огня, может быть удобно выражено в терминах увеличения поданной массы по сравнению с массой, необходимой для системы подавления путем затопления. Полагают, что увеличение массы между 10% и 100% целесообразно для наиболее удаленных областей стабилизированного пламени в направлении ветра, хотя может быть желательно увеличение на 50% или более предпочтительно почти на 75%.
3
3
Например, импульс активного агента подавления огня, такого как PBr, инжектированного в месте 260 впрыскивания, почти мгновенно приведет к выделению молекул HBr в месте 260 впрыскивания за счет взаимодействия с влагой воздуха на пути и/или на поверхности в воздушном пространстве 251. Кроме того, некоторые молекулы брома могут выделяться в результате термического воздействия, особенно если точка впрыскивания находится вблизи источника, такого как область стабилизированного пламени. Молекулы HBr (и/или брома) будут транспортироваться вдоль пути потока 258 в объем, окружающий область 262 стабилизированного пламени. Импульс PBr, инжектируемый в месте 260, должен быть достаточно продолжительным при заданной массовой скорости потока, таким образом, чтобы в ходе транспортировки вдоль пути потока 258 присутствовала, по меньшей мере, критическая масса молекул HBr (и/или брома), то есть достаточное число молекул, чтобы в достаточной степени каталитически ингибировать экзотермические процессы в объеме, окружающем область 262 стабилизированного пламени, для того, чтобы снизить температуру ниже точки горения в области 262 в течение критического времени, то есть достаточного интервала времени, чтобы осуществить желательное каталитическое ингибирование экзотермических процессов, вызывая гашение любого горения внутри области 262 стабилизированного пламени.
3
3
Однако область 264 стабилизированного пламени в значительной степени находится в направлении ветра, то есть продвинута вдоль пути потока 258, таким образом, молекулы каталитического/агента подавления, поданные в область 262 стабилизированного пламени, будут приходить туда позже и с пониженной концентрацией или плотностью. Продолжительность импульса агента PBr, инжектируемого в месте 260, может быть увеличена до величины, больше той, которая требуется для подавления горения в области 262 стабилизированного пламени, для того, чтобы иметь критическую массу каталитических молекул, поданных в объем, окружающий область 264 стабилизированного пламени, в течение критического времени, достаточного для гашения огня в этой области стабилизированного пламени. Важно отметить, что один импульс агента подавления огня, поданный в отдельную точку впрыскивания, может привести к гашению одного или нескольких очагов огня во множестве областей стабилизированного пламени при использовании активной системы подавления огня; таким образом, требуется система в значительной степени меньшего объема и сложности по сравнению с традиционной технологией гашения путем затопления или сдувания. Кроме того, важно отметить, что активные агенты подавления огня, такие как PBr, могут быть успешно использованы вместе с технологией затопления или сдувания, а также с технологией активного подавления огня, которая показана ниже в связи с фигурами 24 и 25. В конкретных случаях, может быть желательным использовать определенное сочетание активной технологии гашения путем затопления или сдувания с реакционноспособными агентами подавления огня.
3
Кроме того, может быть желательным испытывать эффективность транспорта реакционноспособных агентов подавления огня таким же образом, как при традиционном испытании средств затопления, с целью определения величин, связанных с концентрацией и временем, не прибегая к разрушениям, которые присущи испытанию гашения реальных пожаров. Как будет рассмотрено более подробно, в связи с фигурами от 22 до 26 испытание транспорта активных агентов подавления огня, таких как PBr, может быть выполнено путем инжекции молекул другого вещества, такого как криптон, который имеет те же самые транспортные характеристики, что и молекулы основного активного агента, то есть HBr.
Теперь обратимся к фиг.22, где испытательная камера 206 включает входной патрубок 208, выходной патрубок 210 и первую и вторую области 212 и 214 стабилизированного пламени, в качестве характерного примера одной из многих различных компоновок структуры, в которых могут быть использованы реакционноспособные агенты подавления пламени. Путь потока 215 агента представляет собой путь естественного потока, выбранный для использования при подаче реакционноспособного агента подавления пламени через клапан 217 по трубе, и/или трубопроводу 218, и/или форсунке 220, для гашения горения, происходящего в областях 212 и 214 стабилизированного пламени. С целью испытания эффективного распределения или транспортировки реакционноспособного агента подавления пламени, расходуемого по пути потока 215, через форсунку 220, тестируемый агент 216 подается в трубопровод 218 по клапану 217. Клапан 217 представляет собой клапан с механизированным приводом, такой как клапан с электрическим или гидравлическим приводом, который может работать в импульсном режиме, чтобы тестируемый агент 216 подавления из резервуара подавался в течение заданного интервала времени.
3
3
Реакционноспособный агент подавления пламени функционирует путем химического взаимодействия со средой, окружающей огонь, особенно со средой, окружающей области 212 и 214 стабилизированного пламени, с образованием каталитических веществ, сильно подавляющих огонь. Например, реакционноспособный агент подавления огня, такой как PBr, применяемый в испытательной камере 206, может взаимодействовать с влагой воздуха, и на внутренних поверхностях камеры с образованием газообразного HBr в качестве активных частиц, которые будут каталитически нарушать химию пламени в областях 212 и 214 стабилизированного пламени для того, чтобы подавить огонь. Этот огонь может быть полностью подавлен, если в областях стабилизированного пламени присутствует газообразный HBr с достаточной плотностью в течение достаточного диапазона времени. Реакционноспособный жидкий агент PBr (ж) очень быстро взаимодействует с влагой на поверхностях или в окружающем воздухе с образованием газообразного HBr (г) в соответствии с уравнением:
При относительной влажности 50% степень превращения по этой реакции равна 63% за 87 миллисекунд.
3
Предпочтительно распределение агента подавления пламени тестируют с помощью неактивного тестируемого агента 216, имеющего свойства, аналогичные свойствам газообразного HBr, вместо распределения агента PBr. То есть для тестирования реакционноспособного агента системы подавления огня тестируемый агент необходимо выбирать таким образом, чтобы он имел свойства, аналогичные свойствам активных частиц, выделяющихся из активного агента подавления, но не аналогичные свойствам самого агента подавления. Таким образом, при тестировании можно определить, подается ли критическая масса активных частиц в соответствующие области, по меньшей мере, в течение критического времени, что необходимо для подавления огня.
3
3
Газообразный криптон (Kr) был выбран в качестве соответствующего неактивного заместителя, или тестируемого агента, вместо реакционноспособного агента PBr, поскольку гидрогазодинамические свойства криптона, т.е. характеристики, которые определяют транспортирование вдоль пути потока 215, аналогичны свойствам активных частиц HBr, образующихся из реакционноспособного агента PBr подавления огня. Такие свойства могут включать плотность, молекулярную массу, вязкость, теплопроводность и коэффициент диффузии.
2
2
2
В таблице 2 сопоставлены гидрогазодинамические свойства HBr со свойствами различных одноатомных газов, в том числе Kr. Однако любой молекулярный газ, который не обладает активностью в зоне горения и имеет гидрогазодинамические свойства, аналогичные свойствам активных частиц, также может рассматриваться при подборе заместителя. Углеводороды, или галоидированные, или негалоидированные, или простые оксиды (СО, SO, NO, СО, NO) представляют собой примеры неактивных молекулярных газов, которые могут рассматриваться в качестве заместителей реакционноспособных средств подавления огня.
Таблица 2
Гидрогазодинамические свойства HBr и неактивных заместителей
Свойство
Единицы
HBr
Хе
Kr
Ar
Ne
He
Молекулярная масса
г/моль
80,912
131,3
83,8
40
20,179
4
Плотность
кг/м<sup>3</sup>
3,440
5,584
3,550
1,670
0,853
0,169
Теплоемкость (Ср)
кДж/моль
0,029
0,035
0,020
0,020
0,021
0,020
Вязкость
мП
0,171
0,211
0,233
0,210
0,297
0,186
Теплопроводность
мВт/(м·К)
8,910
5,192
8,834
16,360
45,800
142,640
Коэффициент диффузии (в воздухе)
см<sup>2</sup>/с
0,428
0,340
0,463
0,672
1,453
3,105
В ходе испытания тестируемый агент 216 (такой как газообразный криптон) может храниться в резервуаре под давлением и использоваться в качестве возможного тестируемого заместителя транспортируемого средства подавления огня (такого как HBr) внутри зоны (зон) горения в частично замкнутом пространстве испытательной камеры 206. Камера 206 вентилируется потоком воздуха через входное отверстие, такое как входной патрубок 208, на выпуск, такой как выходной патрубок 210. Воздушный поток взаимодействует с выпуклостями и поверхностями раздела (не показаны), создавая одну или несколько областей стабилизированного пламени в испытательной камере 206, таких как области 212 и 214 стабилизированного пламени. Путь потока 215 агента может быть выбран таким образом, чтобы распределить агент подавления огня, и в этом случае заместитель агента подавления огня, тестируемый агент 216, путем инжекции агента в месте впрыскивания выше (по потоку) от первой области стабилизированного пламени. Пробы газа из областей стабилизированного пламени отбираются в детектор 222 по трубопроводу 224.
Тестируемый агент 216 подводится в импульсном режиме работы клапана 217 для газа и впускается через трубопровод 218 в область 221 инжекции средства подавления. На конце трубопровода 218 может находиться форсунка 220 для направления потока тестируемого агента 216. Импульс тестируемого агента 216, подведенный с помощью клапана 217, может быть охарактеризован по показателям продолжительности, массовой скорости потока и профиля скоростей. В целях тестирования продолжительность, массовая скорость потока и профиль скоростей импульса тестируемого агента 216 подбирают таким образом, чтобы они соответствовали показателям импульса, который будет использован в качестве агента каталитического подавления огня, который предполагается использовать в активной системе подавления огня. Такое соответствие является важным, поскольку инжекция любого агента изменяет давление в замкнутом пространстве, и, таким образом, изменяются потоки от входного патрубка 208 до выходного патрубка 210.
Тестируемый агент 216, такой как газообразный криптон (Kr), транспортируется в ходе испытания от области 221 впрыскивания под действием адвекции вдоль путей естественных потоков или линий обтекания, таких как путь потока 215 агента, и за счет диффузии в потоках. Затем каждый импульс тестируемого агента 216, поданный с помощью клапана 217 по трубопроводу 218 и форсунке 220, если они применяются, в область 221 впрыскивания, может быть отведен по трубопроводу 224 из областей 212 и 214 стабилизированного пламени в детектор 222 для определения плотности поданного тестируемого агента 216 как функции времени. Корреляция между шириной импульса и плотностью тестируемого агента 216 в каждом импульсе, поданном в область 221 впрыскивания, и зависимость от времени плотности тестируемого агента 216, отобранного из каждой области стабилизированного пламени, могут быть использованы для количественной характеристики эффективности распределения или транспортирования тестируемого агента 216 по пути потока 215 агента в каждую из областей 212 и 214 стабилизированного пламени.
Описанный выше процесс испытания можно повторять для различных условий инжекции для того, чтобы определить влияние величин инжектируемой массы, массовой скорости потока и профиля импульса во времени, а также изменения расположения точек инжекции, конструкции форсунки, расположения области стабилизированного пламени, воздушной вентиляции и других условий. В частности, серия испытаний может быть использована для создания матрицы распределения тестируемого агента для облегчения расчета распределения реакционноспособного агента в системе подавления огня. После завершения испытаний и анализа результатов тестируемый агент 216 может быть заменен реакционноспособным транспортируемым агентом подавления, который образует средство подавления, имеющее те же транспортные характеристики, что и тестируемый агент.
Теперь обратимся к фиг.23, где показан отклик детектора 222 для образца, отобранного в конкретной области стабилизированного пламени, такой как область 212, который может быть проанализирован, чтобы определить временную зависимость плотности тестируемого агента 216, транспортируемого в каждую область стабилизированного пламени. Этот профиль плотности можно сопоставить с импульсом 226 тестируемого агента 216, инжектируемого в область 221 впрыскивания.
В частности, импульс 226 тестируемого агента начинается и заканчивается в моменты времени t0 и t1. Импульс газообразного криптона может иметь величины длительности, массовой скорости потока и профиля скоростей, которые подбирают для соответствия возможным показателям активной системы подавления огня. Плотность импульса 226 тестируемого агента имеет конкретное значение d1. Эти величины могут быть определены по рабочим параметрам клапана 217, показанного на фиг.1, или детектируются с использованием дополнительных трубопроводов 224, обычно проходящих в область вблизи форсунки 220 или области 221 впрыскивания.
Выходной сигнал 228 детектора демонстрирует, что детектируемая концентрация или плотность тестируемого агента 216, достигнувшего точки детектирования, такой как область 212 стабилизированного пламени, в конкретный момент времени, который может наступить раньше времени t1. Выходной сигнал детектора 222 показывает рост плотности в пике и затем снижается с течением времени. Выходной сигнал детектора 222 может быть использован для определения, подана ли критическая масса каталитического агента подавления в данную конструкцию системы в течение критического времени, которое требуется для того, чтобы потушить огонь в каждой области стабилизированного пламени. Кроме того, этот технический прием может быть использован для тестирования возможных изменений в системе с целью создания матрицы результатов.
Например, матрица результатов может быть использована эмпирически, чтобы определить наилучшие условия инжекции. Предпочтительно транспортирование тестируемого агента 216 и, следовательно, транспортирование каталитического агента подавления внутри зоны горения можно моделировать, используя компьютерную гидрогазодинамику, таким образом, чтобы можно было эффективно идентифицировать условия инжекции с помощью разреженной матрицы испытаний. Кроме того, компьютерная гидрогазодинамика может быть использована с целью исследования эффекта небольших различий между гидрогазодинамическими свойствами (например, коэффициента диффузии, плотности) каталитического агента подавления и тестируемого агента.
Теперь обратимся к фиг.24, где показано применение заполняющего или каталитического агента 234 подавления в камере 232 затопления для системы подавления горения путем затопления для того, чтобы проиллюстрировать и сопоставить различия с активной системой подавления, испытание которой было описано выше со ссылкой на фиг.21. Области 212 и 214 стабилизированного пламени, показанные на фиг.21, перенесены в камеру 232 затопления для удобства описания, хотя в традиционной системе подавления огня путем затопления обычно области стабилизированного пламени или не идентифицируются, или их идентификация не используется. При использовании агент 234 затопления выпускается из резервуара 230 агента затопления через клапан 217 и трубопровод 218 в течение заданного периода времени. Это время подбирается, так же как давление в резервуаре 230 и характеристики агента 234 затопления, чтобы обеспечить уровень заполнения камеры 232, таким образом, чтобы достичь уровня 236. Уровень 236 заполнения может составлять 100% от внутреннего объема камеры 232.
3
Система подавления огня путем затопления может быть использована с каталитическим агентом подавления или путем использования каталитического агента подавления в резервуаре 230 агента затопления, или предпочтительно путем использования активного транспортирующего агента в резервуаре 230 агента затопления и введения агента в окружающую среду, в которой активный транспортирующий агент образует каталитический агент подавления выше (по потоку) зоны горения. Например, если в резервуаре 230 агента затопления используется агент PBr, можно будет ввести достаточное количество влаги из атмосферы или другого источника в клапан 217 или предпочтительно в трубку или трубопровод 218, или более предпочтительно в форсунки (если они используются), чтобы выделился каталитический агент подавления. Этот технический прием может быть особенно полезным в ситуациях, когда желательно снизить необходимые размеры и/или массу резервуара 230 агента затопления.
Традиционное испытание средства затопления, такого как Галон 1301, обычно осуществляют с целью определения, обеспечивает ли система подавления огня путем затопления заданный стандартный уровень концентрации. Например, в современном стандарте Федерального авиационного агентства для отсеков реактивного двигателя требуется концентрация средства затопления больше чем 6% по объему в течение больше чем полсекунды, которую измеряют в изолированных положениях. Для проведения этих измерений может быть использован детектор 222 и одна или несколько труб или трубопровод 224.
Испытание описанного выше технического приема для определения эффективного распределения заполняющим агентом подавления в камере 232 не будет применяться при испытании активной системы подавления огня, которая описана выше со ссылкой на фиг.22.
Теперь обратимся к фиг.25, где камера 238 может быть использована в системах подавления огня путем сдувания с традиционным агентом 212 и 214 подавления огня или каталитическим агентом подавления и имеет области стабилизированного пламени, которые перенесены на эту фигуру по причинам, указанным выше. В системе подавления огня путем сдувания традиционный технический прием обеспечивает один или несколько потоков первого агента подавления из резервуара 240 агента сдувания по трубопроводу 218 и клапану 217, которые направляются одной или несколькими сдувающими форсунками 242 в зону ожидаемого горения, такую как зону 244 горения. Зона 244 горения представляет собой область, окружающую все ожидаемые пламени от ожидаемого характерного огня.
Эти пламени, показанные на фигуре как зона 244 горения, обладают переменными характеристиками распространения в пространстве и интенсивностью. Испытание системы подавления огня путем сдувания обычно осуществляется путем определения фактического гашения огня. Затраты на стабилизацию и гашение статистически значимого числа таких пламень могут быть чрезмерно высокими, особенно когда в частично замкнутом пространстве находится ценное оборудование, такое как турбинные двигатели, телекоммуникационные переключатели, компьютерные системы, измерительная аппаратура, обеспечивающая полет, и тому подобное.
3
В системе подавления огня путем сдувания может быть использован каталитический агент подавления, или за счет использования каталитического агента подавления в резервуаре 240 агента сдувания или предпочтительно за счет использования активного транспортирующего агента в резервуаре 240 агента сдувания и введения этого агента в окружающую среду, в которой активный транспортирующий агент образует каталитический агент подавления выше (по потоку) зоны горения. Например, если в резервуаре 240 агента сдувания используется агент PBr, можно будет ввести достаточное количество влаги из атмосферы или другого источника в клапан 217 или предпочтительно в трубку или трубопровод 218, или более предпочтительно в форсунки, чтобы выделился каталитический агент подавления. Этот технический прием может быть особенно полезным в ситуациях, когда желательно снизить необходимые размеры и/или массу резервуара 240 агента сдувания.
Технические приемы для испытания систем подавления огня путем заполнения и сдувания непосредственно не используются при тестировании активных систем подавления огня.
2
5
2
Во-первых, традиционные средства затопления, такие как Галон 1301, HFC-125 (CHF), CO и тому подобное, не вырабатываются за счет химических процессов в зоне горения. Реакционноспособные агенты подавления огня превращаются под действием окружающей среды в зоне горения путем взаимодействия с влагой, кислородом, поверхностями, под действием тепла или химических частиц, образовавшихся при горении. Концентрации заполнения определяются только гидрогазодинамикой внутри оболочки, в то время как на концентрацию активных частиц также влияют химические процессы в зоне горения.
Кроме того, системы заполнения предназначены для получения равномерной концентрации во всей оболочке или камере. В системах полного затопления часто используются детально разработанные коллекторы с форсунками, трубопроводами и другими средствами распределения. Напротив, активные системы рассчитаны на использование естественных потоков внутри оболочки для того, чтобы транспортировать реакционноспособные частицы предпочтительно в области стабилизированного пламени. Поскольку не во всех местоположениях с одинаковой вероятностью поддерживается горение, активные системы способствуют подавлению горения с использованием меньших масс и объемов агентов, по сравнению с требующимися для систем заполнения.
Аналогично, испытание систем подавления огня путем сдувания является весьма громоздким и дорогим, поскольку тестирование проводится до тех пор, пока не будет потушен фактический пожар.
Однако желательно и важно иметь возможность количественно охарактеризовать эффективность активной системы подавления огня, по меньшей мере, путем установления минимальных технических требований, с помощью которых можно тестировать распределение агента подавления. Аналогично, также желательно и важно иметь возможность сопоставлять технические требования, применяемые для систем подавления огня различного типа, таких как системы затопления и активные системы. Теперь обратимся к фиг.26, где импульс 226 активного тестируемого агента и полученный сигнал 228 детектора от активного агента в зависимости от плотности и времени, как показано выше на фиг.22, показаны в сопоставлении с импульсом тестируемого агента из резервуара 240 и сигналом 238 детектора от агента затопления. Допуская с целью обсуждения, что указанный выше стандарт Федерального авиационного агентства обеспечивает удовлетворительное подавление огня импульсом средства затопления достаточной длительности, чтобы обеспечить заполнение агентом подавления 6% объема в течение половины секунды; ясно, что импульс реакционноспособного агента подавления, который может дать, по меньшей мере, эквивалент 6% объема в течение половины секунды по путям потока, приводящим в области стабилизированного пламени, может потребоваться в значительной степени меньшее количество агента подавления, чем в случае заполнения.
Импульс средства затопления должен заполнять всю камеру, в то время как для импульса реакционноспособного агента требуется только расположение вблизи области стабилизированного пламени в течение эквивалентного времени, без необходимости заполнения всей камеры. Кроме того, в зависимости от структуры окружающей среды, которая должна быть защищена активной системой подавления огня, импульс активного средства подавления огня или тестируемого агента 216, который показан на фиг.22, могут быть использованы для гашения огня больше, чем в одной области стабилизированного пламени. Например, импульс реакционноспособного или тестируемого агента, сначала перенесенный вблизи области 212 стабилизированного пламени, вдоль пути потока 215 агента, затем будет перенесен дальше, вдоль пути во вторую область 214 стабилизированного пламени. Хотя может быть необходимым, чтобы такой импульс обладал немного большей продолжительностью для того, чтобы удовлетворительно подавить огонь в двух областях стабилизированного пламени, а не в одной, необходимая продолжительность или выдержка времени импульса активного агента подавления все же будет гораздо меньше, чем двойная длительность импульса, необходимого для подавления огня в одной области стабилизированного пламени.
3
3
Кроме того, реакционноспособные агенты подавления огня обладают дополнительными преимуществами перед агентами подавления огня путем затопления, поскольку активный агент подавления огня химически взаимодействует со средой, окружающей зону горения, с образованием каталитических мощных средств подавления огня. Например, как отмечено выше, активный агент подавления огня PBr взаимодействует с влагой, образуя газообразный HBr, который подавляет огонь за счет каталитического вмешательства в химию пламени. Каталитический процесс, в котором одна молекула может способствовать превращению многих миллионов молекул в пламени, лишь незначительно будет зависеть от концентрации катализатора. Поэтому эквивалент подавления огня, обеспечиваемый заполнением 6% объема агентом подавления огня, таким как Галон 1301, в течение более полсекунды может быть обеспечен за счет в значительной степени меньшей концентрации агента каталитического подавления огня, такого как PBr, в течение той же половины секунды или меньше.
Например, как отмечено выше, мерой определения для активной системы подавления огня может быть требование, чтобы активный агент подавления огня подавал минимум от 110% до 200% и более предпочтительно от 150% до 175% каталитического агента подавления в области стабилизированного пламени в течение того же периода времени, по сравнению с минимальными требованиями системы типа заполнения.
Теперь обратимся к фиг.27, на которой изображен вид модифицированной гондолы 250 реактивного двигателя, воздушное пространство 251 и реактивный двигатель 252, который был показан на фиг.21, области 262 и 264 стабилизированного пламени, находящиеся вдоль пути потока 258, который проходит внутри зоны горения от первого входа, показанного обычно как входной патрубок 266, и выходит из зоны горения на выходе, показанном обычно как выходной патрубок 268. Зоны горения, такие как воздушное пространство 251, могут иметь больше одного входа и выхода и, следовательно, больше одного пути потока. Путь потока 270, поступающего в воздушное пространство 251 по входному патрубку 272 и выходящего из выходного патрубка 274, иллюстрирует один пример дополнительного пути потока. Путь потока 270 также может иметь множество областей стабилизированного пламени, таких как области 276 и 278.
Кроме того, дополнительные пути потоков могут входить и/или выходить через те же самые входные и/или выходные патрубки. Например, путь потока 271 также может входить в воздушное пространство 251 через входной патрубок 272 и выходить через выходной патрубок 274, хотя следует по пути, частично или полностью отличающемся от пути потока 270. Как показано на этой фигуре, пути потоков 270 и 271 объединяются в точке 273 слияния и после этого объединенный поток выходит через патрубок 274. Как продемонстрировано, путь потока 271 включает в себя область 277 стабилизированного пламени.
2
2
При горении в областях стабилизированного пламени, таких как области 264, 262, 276, 277 и 278, выделяются продукты сгорания, в том числе излучение тепла и света, газы, такие как CO, НО и другие соединения, образовавшиеся при горении топлива, и частицы копоти. Для того чтобы обнаружить горение в области стабилизированного пламени, необходимо детектировать один или несколько из этих побочных продуктов горения. Один способ заключается в размещении детектора вблизи каждой области стабилизированного пламени, в зоне горения. Например, датчики 280 и 282, регистрирующие пламя, могут быть расположены вблизи областей 262 и 264 стабилизированного пламени соответственно, чтобы детектировать и охарактеризовать пламени в этих областях.
Однако газообразные и дисперсные побочные продукты могут транспортироваться естественными потоками вдоль указанных путей потока внутри зон горения. Поэтому единственный датчик, регистрирующий пламя, такой как датчик 284, может быть расположен вблизи выходного патрубка 268 внутри или вне гондолы 250 для детектирования горения в любой области стабилизированного пламени, из которой поток выходит через выходной патрубок. Как показано в частности, огонь в любой области или в обеих областях 262 и 264 стабилизированного пламени может быть детектирован с помощью датчика 284.
Аналогично, если естественные потоки из более чем одной области стабилизированного пламени пересекаются, тогда единственный датчик, расположенный вблизи или ниже (по потоку) этой точки слияния, может обнаруживать побочные продукты горения в каждой из этих областей стабилизированного пламени. Как показано, пути потоков 270 и 271 пересекаются в точке 273 слияния таким образом, что все пути потоков из областей 276, 277 и 278 стабилизированного пламени пересекаются в точке 273 слияния. Поэтому датчик 286, регистрирующий пламя, расположенный между точкой 273 слияния и выходным патрубком 274, может быть использован для детектирования горения во всех областях стабилизированного пламени вдоль путей потока 270 и 271, которые пересекаются в точке 273 слияния. В частности, горение в одной или нескольких областях 276, 277 и 278 стабилизированного пламени может быть обнаружено датчиком 286, регистрирующим пламя.
Аналогично, единственный детектор может отбирать пробы газов горения и дыма из трех или более областей стабилизированного пламени, если он расположен вблизи точки пересечения соответствующих путей естественных потоков.
В сложной зоне горения может находиться довольно много областей стабилизированного пламени, таким образом, детектор для каждой из областей стабилизированного пламени будет весьма сложным и дорогим. Используя естественные потоки в зоне горения, которые могут быть обнаружены, например, с помощью компьютерного моделирования гидрогазодинамики или экспериментальной визуализации потоков, можно принять меры, чтобы отношение детекторов к областям стабилизированного пламени было меньше чем единица, предпочтительно порядка единицы, отнесенной к числу областей стабилизированного пламени. Этот последний предел соответствует единственному детектору, который расположен таким образом, чтобы детектировать дым или газы, образовавшиеся в любой из областей стабилизированного пламени внутри зоны горения. Поскольку все точки внутри зоны горения, в конечном счете, связаны, по меньшей мере, с одним из выходов 268 и 274, очевидно, что детектор в каждом из выходных патрубков будет обеспечивать определение любого пламени внутри зоны горения. Однако при таком числе детекторов невозможно обнаруживать горение во всех областях стабилизированного пламени с достаточным разрешением в пространстве и времени, чтобы быть оптимальным. Другими словами, выбор числа и размещения датчиков с использованием путей естественного потока для того, чтобы транспортировать в них продукты горения, также может включать рассмотрение дублирования, временной характеристики и локализации пламени внутри зоны горения.
В типичных случаях, когда число детекторов больше одного и меньше числа областей стабилизированного пламени, сигналы от каждого детектора могут предоставить информацию о пламени в подмножестве областей стабилизированного пламени, которые связаны естественными потоками в конкретные области стабилизированного пламени. Эта информация может быть использована для того, чтобы селективно активировать подачу средства подавления в конкретные области стабилизированного пламени, где было обнаружено горение. Предпочтительно средство подавления представляет собой агент, транспортирующий активное средство подавления, которое следует по путям естественных потоков, подавая атомы или молекулы каталитически активного средства подавления огня в области стабилизированного пламени, в которых обнаружены газы сгорания или дым.
Детектирование горения в подмножестве областей стабилизированного пламени внутри зоны горения может стать видимым с помощью дисплея оператора, который затем решает, какое подмножество систем подавления огня следует разгрузить. Предпочтительно детектор пламени, который отбирает пробы из подмножества областей стабилизированного пламени, связанных с логической схемой, которая автоматически заряжает или разряжает одну или несколько активных систем подавления, которые подают средство подавления в то же самое подмножество областей стабилизированного пламени. В частности, может быть предоставлен индикаторный прибор/регулятор 288 средства подавления и подсоединен к датчикам регистрации горения, таким как датчики 284 и 286, с целью детектирования и автоматического обеспечения средства подавления в горящее воздушное пространство 251, и в то же время обеспечение визуального наблюдения и регистрации детектирования горения и подавляющей активности, если это желательно.
Тип детектора зависит от характеристик горения, которое желательно детектировать и погасить. Например, при горении смеси, обогащенной углеводородным топливом, будет образовываться объемный дым, который детектируется методом светорассеяния или по подвижности, что хорошо известно.
2
2
В обедненном углеводородном пламени может образоваться меньше дыма, но большое количество СО и СО, которые можно детектировать с помощью поглощения ИК-излучения, масс-спектрометрии, Рамановского рассеяния, фотоакустической спектроскопии и другими методами аналитической химии. В другом случае горения в стабильном пламени вблизи горючего пластика могут образоваться побочные продукты, такие как HF, HCN, NO, SO и другие газы, концентрация которых минимальна, пока пламя отсутствует. Эти газы можно детектировать с помощью датчиков акустических волн на поверхности химических транзисторов полевого эффекта, резонансной флуоресценции или другими техническими приемами аналитической химии.
В областях стабилизированного пламени происходит нагревание как газообразных продуктов горения, так и воздуха. Горячие газы могут транспортироваться за счет конвекции вдоль путей естественных потоков, и датчик может детектировать оптическое, то есть инфракрасное, излучение газов, когда они радиоактивно охлаждаются.
Идентификация областей стабилизированного пламени внутри зоны горения и их связей с путями естественных потоков позволяют сконцентрировать детектирование, а также подавление в тех областях, в которых воспламенение является наиболее вероятным. При таком подходе возможно уменьшение количества и сложности систем, применяемых для детектирования и подавления горения.
Теперь обратимся к фиг.28, где воздушное судно 290 включает в себя салон 292 для пассажиров, топливный резервуар 294, двигатель 296 воздушного судна, резервуар 298 реакционноспособного агента и различные линии и клапаны для выделения реакционноспособного агента вручную или при детектировании пламени любым из различных датчиков, регистрирующих горение.
Салон 292 для пассажиров включает в себя кресла 300 для пассажиров, смонтированные на полу 302 салона, а также салонный детектор 304 пламени, расположенный в салоне 292 для пассажиров вдоль пути воздушного потока 306. В ручном режиме работы детектирование пламени детектором 304 или детектирование пламени в другой части воздушного судна 290, который конструктивно активирует подавление огня в салоне 292 для пассажиров, клапан 308 активируется путем подключения (которое может быть связано с компьютером или другим схемным решением контроля пламени) для того, чтобы реакционноспособный агент 298 выделился из трубопровода 310 реакционноспособного агента в салон 292 для пассажиров через инжектор 312. Положение и направление потока инжектора 312 выбирают таким образом, чтобы распространить реакционноспособный агент 314 из резервуара 298 по трубопроводу 310 на реакционную зону, которая может представлять собой заранее существующую часть окружающей среды салона 292 для пассажиров или специально введенную или модифицированную часть салона 292 для пассажиров, в которой происходит взаимодействие реакционноспособного агента 314, например, с влагой или теплом, с целью введения каталитического агента подавления огня на пути воздушного потока 306, который проходит через салон 292 для пассажиров, чтобы подавить в нем любое воспламенение.
Показанный путь воздушного потока 306 также проходит через багажное отделение 318, расположенное под полом 302 салона. Детекторы 320 пламени в багажном отделении также расположены вдоль пути воздушного потока 306 и соединены посредством трубопровода 310 с клапаном 322. При детектировании пламени реакционноспособный агент 314 подводится из резервуара 298 по трубопроводу 310 и клапану 322 через инжектор 324 в реакционную зону 326. Реакционноспособный агент 314 взаимодействует в реакционной зоне 326 с образованием каталитического агента 316, который подавляет пламя, обнаруженное детекторами 320.
Как показано на фигуре, линия от детектора 304 соединяется с клапаном 322, а также с клапаном 308, и детекторы 320 соединены линией с клапаном 308, а также с клапаном 322. Таким образом, системы контроля пламени на воздушном судне могут селективно выбирать клапан 308, активируемый в салоне 292 для пассажиров, чтобы способствовать подавлению пламень, детектируемых в багажном отделении 318, и/или селективно выбирать клапан 322, активируемый для предотвращения горения, детектируемого в салоне 292 для пассажиров, от воспламенения в багажном отделении 318 вдоль пути воздушного потока 306.
Кроме того, воздушное судно 290 включает один или несколько топливных резервуаров 294, которые обычно частично заполнены топливом 328. Остальная часть резервуара выше уровня топлива может включать смесь 330 паров и воздуха, также известное как незаполненный объем, что может приводить к воспламенению смеси, когда присутствует источник воспламенения в области 332 воспламенения, такой как искра или горячая поверхность. Воспламенение предварительной смеси генерирует волну горения, которая по скорости распространения через реакционную смесь может быть традиционно подразделена на три категории:
1. Взрыв. Скорость выделения тепла является очень высокой, однако не требуется прохождение волны горения через взрывную среду.
2. Мгновенное сгорание. Дозвуковая волна горения.
3. Детонация. Сверхзвуковая волна горения.
Характеристики волн мгновенного сгорания и детонации выводятся с использованием уравнений Рэнкина-Хьюгониота, на основе термодинамических параметров на каждой стороне волны, как изложено в обычных текстах теории горения, например в главе 4 книги «Principles of Combustion» (Принципы горения), автор Kenneth K.Kuo (New York: Wiley) 1986, которая включена в это изобретение как ссылка.
Соотношение Рэнкина-Хьюгониота (уравнение 4-27 в книге Kuo) имеет вид:
В этом выражении q означает количество тепла, выделившееся на единицу массы, γ представляет собой отношение удельных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме, р означает давление, ρ представляет собой плотность, и индексы относятся к условиям в несгоревшем (1) и сгоревшем (2) газах, которые находятся спереди и сзади волны горения соответственно.
Соотношение между характеристиками газов (γ, р и ρ) и выделившимся теплом q определяет, является ли волна горения сверхзвуковой или дозвуковой или, другими словами, приведет ли волна к мгновенному сгоранию или детонации. Хотя это соотношение является сложным и математически нелинейным, существенным моментом в рамках настоящего рассмотрения является то, что уменьшение тепловыделения q вызывает уменьшение скорости волны горения, а также к снижению перспективы мгновенного сгорания, развивающегося в детонацию. В качестве альтернативы этот факт можно рассматривать как прямое следствие непрерывности законов сохранения энергии и момента движения. Задача предотвращения детонации топливно-воздушных смесей в топливных резервуарах имеет высокий приоритет в авиационной промышленности.
Традиционные датчики, регистрирующие пламя, не обладают достаточным быстродействием, чтобы обеспечить подавление огня для предотвращения детонации. Оптическое или акустическое детектирование воспламенения начальной волны горения с помощью специального детектора 331 может быть использовано для того, чтобы инициировать быструю инжекцию активного агента 314 подавления огня (который может быть таким же, что и реакционноспособный агент в резервуаре 298 или из другого источника), который является катализатором в реакционной зоне 334, или непосредственно в области 332 воспламенения, что приводит к уменьшению тепловыделения (q) в волне горения от области 332 воспламенения. Предварительная топливо/воздушная смесь 330 может перемешиваться за счет физического движения или конвекции с образованием конвекционных токов 336 в незаполненном объеме резервуара 330. Топливный резервуар 294 обычно имеет загрузочное отверстие 338 и предохранительный клапан 340. Искра или пламя в области 332 воспламенения сопровождаются светом или звуком, который обнаруживается оптическим или акустическим детектором 331, который в свою очередь может быть использован для того, чтобы инициировать быструю и интенсивную инжекцию реакционноспособного агента 314 в волну горения, которая распространяется от области 332 воспламенения с высокой скоростью.
Реакционноспособный агент 314 катализирует взаимодействия, которые уменьшают тепловыделение q, и таким образом скорость распространения волны в соответствии с уравнением Рэнкина-Хьюгониота. Степень, с которой каталитический агент уменьшает тепловыделение и тем самым скорость волны горения, и ее возможный переход от мгновенного сгорания к детонации, вычислимым образом зависит от потока каталитического агента, а также от величин давления, плотности и состава сгорающей топливо/воздушной смеси 330. Количество и тип реакционноспособного агента 314, а также характер и геометрия инжекции агента в распространяющуюся волну горения от области 332 воспламенения можно определить, используя соотношение Рэнкина-Хьюгониота и собственные свойства топлива, воздуха и реакционноспособного агента, который предполагается использовать. Оптимизация состава, количества и инжекции агента могут быть выполнены в соответствии с методами, которые известны специалистам в области прикладной математики и физики горения.
Может быть развернута совокупность нескольких (или одного) оптических датчиков для того, чтобы обеспечить полный обзор незаполненного объема 330 в топливном резервуаре 294 воздушного судна. Вместо применения реакционноспособного агента 314 из резервуара 294 могут быть использованы один или несколько патронов 342, которые активируются детектором, чтобы более интенсивно и без промедления выталкивать реакционноспособный агент внутрь области обзора соответствующего датчика, тем самым уменьшается тепловыделение (q) и волна горения замедляется или становится неустойчивой.
3
Ингибирование волн детонации и мгновенного сгорания с помощью активного подавления огня может отличаться от рассмотренных выше случаев тем, что здесь отсутствуют точки прилипания пламени, так как окислитель и топливо предварительно смешиваются в незаполненном объеме. Тем не менее, использование текучих свойств реакционноспособного агента с целью незамедлительного транспорта агента в зону горения можно выгодно использовать. Например, нестабильный бромсодержащий агент PBr обладает низкой вязкостью и плотностью больше, чем у алюминия. Путем повышения давления и регулирования геометрии отверстия в патроне 342 для подавления огня можно получить поток агента, имеющий высокую скорость (много метров в секунду) в заданном направлении, причем момент движения и кинетическая энергия потока будут достаточны для преодоления противодействующей волны горения от области 332 воспламенения.
Кроме того, воздушное судно 290 включает в себя один или несколько двигателей 296, которые могут быть реактивными или другими двигателями, в которые топливо поступает из резервуара 294, окруженного структурой 344 гондолы, образующей объем 346 охлаждающего воздуха, в котором имеются естественные пути воздушных потоков 348 во время работы двигателя 296. Датчики 350, регистрирующие пламя, могут быть расположены вдоль пути воздушного потока 348 и/или на выходе пути воздушного потока из двигателя. При обнаружении пламени датчиками 350 клапан 352 может быть активирован для выделения реакционноспособного агента 314 (или другого агента) из резервуара 298 через инжектор 354 в реакционную зону 356 для того, чтобы подавить огонь. Как показано на фиг.28, топливо 328 поступает в двигатель 296 по топливной линии 395 из резервуара 294.
Теперь обратимся к фиг.29, где активный агент подавления огня также может быть доставлен в снаряде непосредственно в зону горения или в снаряде, который выделяет агент в воздух выше зоны горения. В частности, снаряд 358 может быть запущен с помощью средства доставки, размеры которого могут изменяться в диапазоне от снаряда, удерживаемого в руке, до базуки, размещаемой на плече, или даже танкового орудия, в зависимости от необходимого размера снаряда и расстояния, которое необходимо преодолеть. Для небольших размеров и масс активного агента подавления огня требуются относительно небольшие снаряды, для которых можно удобно использовать контейнеры, запущенные вручную, или пластиковые пули, выстреливаемые из пистолета.
Для запуска снаряда 358 типа гранаты в направлении зоны 366 горения может быть использовано орудие 356. Снаряд 358 может включать некоторое количество активного агента подавления огня, который выделяется при ударе о землю или часть структуры, такой как стенка 362. Кроме того, снаряд 358 может содержать взрывчатое вещество, детонирующее при ударе или при дистанционном управлении для того, чтобы распределить активный агент в пламени. Затем активный агент в пламени может взаимодействовать со средой, окружающей зону горения, или активную поверхность, являющуюся принадлежностью снаряда 358, для выделения каталитически взаимодействующих частиц, подавляющих пламя в зоне 366 горения.
Снаряд 358 может быть запущен пожарными или иначе с использованием устройства 364, вручную или с воздушного судна (не показано), что вызывает выделение тумана или аэрозоля реакционноспособного агента, которые транспортируются под действием силы тяжести и естественных конвективных потоков, имеющихся в пламени, в зоны горения, такие как зона 366, где происходит каталитическое гашение пламени. Снаряд 364 может быть доставлен непосредственным образом, другими словами, вдоль траектории полета, в виде пули, гранаты, ракеты или реактивного снаряда. В качестве альтернативы, снаряд может быть доставлен не напрямую, или по навесной траектории в виде мортирного ядра, артиллерийского снаряда или ручной гранаты. Как показано на этой фигуре, снаряд 364 может быть подвешен над зоной 366 горения на парашюте, наподобие осветительной ракеты.
Эти варианты исполнения обеспечивают дистанционное гашение, что особенно эффективно, когда требуется подавление огня в окружающей среде, в которой присутствуют опасные, горючие или взрывчатые вещества, такие как склад боеприпасов, хранилище химических продуктов или бункер для хранения топлива. Кроме того, масса и размер снарядов для активного подавления огня обычно гораздо меньше, чем размеры огнетушителей, удерживаемых в руке, или колесных огнетушителей с такой же емкостью для гашения, что удобно для мобильной защиты пожарного персонала.
Снаряд 364 может выделять реакционноспособный агент с помощью механического или взрывного устройства. Примеры механического диспергирования включают повышение давления или разрыв снаряда и разбрызгивание его содержимого под действием ударной силы. Взрывные устройства диспергирования включают формованные заряды, как, например, применяющиеся для химического оружия или для топливно-воздушных взрывчатых боеприпасов.
В некоторых компоновках реакционная зона, такая как зона 366, также может быть оборудована снарядами 358 и 364, в которых находится реакционноспособный агент, по меньшей мере, частично реагирующий в этой зоне при выделении из снаряда, до прихода в зону 366 горения.
3
3
В снаряде 364 используются потоки, возникающие под действием силы тяжести, для доставки реакционноспособного агента в зону горения, такую как зона 366. Снаряд 364 может включать патрон, содержащий реакционноспособный агент вокруг внутреннего взрывного или выталкивающего устройства. Снаряд 364 может быть запущен вертикально над зоной горения. На заданной высоте или в заданный момент времени вызывается детонация взрывчатого вещества и реакционноспособный агент диспергируется в виде облака, пространственное распространение которого определяется формой и взрывной мощностью внутреннего заряда. Реакционноспособный агент, плотность которого больше, чем у воздуха, например SOBr (плотность 2,68 г/см), после диспергирования в виде аэрозольного облака будет осаждаться под действием силы тяжести над областью, которая включает в себя одну или несколько зон горения. Естественные конвективные потоки пламени будут транспортировать агент в зоны горения, где он каталитически гасит огонь.
Теперь обратимся к фиг.30, где воздушное судно 368 может нести снаряд 370, содержащий активный агент подавления огня при аварийной посадке. Может быть использована ручная или автоматическая система для запуска или отделения снаряда 370 от воздушного судна 368 сразу до или после аварийной посадки с целью подавления пламени, которое может возникнуть при приземлении. В частности, снаряд 370 может быть запущен непосредственно до приземления, так чтобы реакционноспособный агент находился в зоне возможного горения. Это позволяет смонтировать снаряд 370 во многих различных положениях и защищать их от заклинивания под действием удара при приземлении. В качестве альтернативы, активный агент подавления огня может выделяться из контейнера после удара, например, топливных баков под крыльями воздушного судна 368.
Теперь обратимся к фиг.31, где схематически показан вид типичной системы подавления огня, применяемой, например, на воздушных судах, в которой активный агент 372 подавления огня из резервуара 374 инжектируется в точке 376 впрыскивания на пути воздушного потока 378 или вблизи него, выше (по потоку) зоны 382 горения. Активный агент 372 превращается в реакционной зоне 380, чтобы обеспечить выделение каталитического агента 373 выше (по потоку) зоны 382 горения. Затем каталитический агент 373 транспортируется по пути воздушного потока 378 в зону 382 горения, где агент 373 каталитически подавляет огонь в зоне 382 горения.
Важно отметить, что точка 376 впрыскивания может находиться на пути потока 378, или момент движения реакционноспособного агента 372, например, в результате повышения давления в резервуаре 374 может вызвать перемещение реакционноспособного агента 372 по пути воздушного потока 378. Как указано выше, в других вариантах осуществления реакционноспособный агент 372 может инжектироваться в направлении выше по потоку, против пути воздушного потока 378.
Кроме того, важно отметить, что реакционная зона 380 может находиться на пути или рядом с потоком 378, или в точке 376 впрыскивания, или рядом с ней, до тех пор пока в этом варианте осуществления каталитический агент 373, выделившийся в результате превращения реакционноспособного агента 372 в реакционной зоне 380 выше (по потоку) зоны 382 горения, переносится по пути воздушного потока 378 ниже (по потоку) в зону 382 горения для подавления огня. В частности, реакционная зона 380 может являться принадлежностью резервуара 374, и/или может быть расположена в точке 376 впрыскивания, или рядом с ней, и в этом случае реакционноспособный агент 372 можно не транспортировать на дальнее расстояние или по всему пути потока 378. Однако в этом варианте осуществления каталитический агент транспортируется из реакционной зоны 380 вниз, вдоль пути воздушного потока 378 в зону 382 горения.
Теперь обратимся к фиг.32, где показан альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором портативный огнетушитель 382 включает в себя резервуар 384 с активным транспортирующим агентом и клапан 386 ручной подачи для выделения активного транспортирующего агента в форсунку 388. Форсунка 388 включает реакционную зону 390, в которой активный транспортирующий агент превращается с выделением каталитического агента 373, который выталкивается, например, под действием давления в резервуаре 384 и/или нагнетающего действия, связанного с работой форсунки 388, в область 392 горения, которое таким образом подвергается каталитическому гашению.
Различные признаки настоящего изобретения были описаны со ссылкой на указанные выше варианты осуществления. Следует понимать, что могут быть выполнены различные модификации описанной системы для подавления огня, раскрытых способов подавления огня и раскрытых способов конструктивного исполнения системы подавления огня без отклонения от духа и объема настоящего изобретения.