СПОСОБ ГАЗОДИСПЕРСНОГО ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DISPERSE GAS FIRE EXTINCTION AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области противопожарной техники, а именно к газодисперсному (газопорошковому, газоаэрозольному, газожидкостному или комбинации из них) способу тушения пожаров классов А, В, С и электроустановок до 7000 В без участия человека, может быть использовано на опасных производствах угольной, горнорудной, химической, нефтяной, атомной промышленности, на транспорте, в промышленных зданиях и сооружениях, складских помещениях и гаражах, а также для подавления дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых образований.
Изобретение промышленно применимо в автоматических и автономных системах пожаротушения.
Известны способы тушения пожаров с использованием 2-х или нескольких огнетушащих веществ путем их предварительного смешения, аэрации и подачи образованной газодисперсной смеси в зону пожара. Эти способы описаны в патентах РФ и заявке РСТ [1-10].
Общим недостатком этих способов-аналогов является их относительно низкая эффективность тушения ЛВЖ и ГЖ и невозможность тушения дефлаграционного горения.
Наиболее близкими по сущности изобретения аналогами являются «Огнетушащий газодисперсный состав, способ тушения и устройство для его осуществления» по заявке № PCT/RU 2006/000167 , опубликованной под № WO 2007/117168 А1, 18.10.2007 г. с приоритетом от 22.06.04 г., и патент РФ №2254156 С1, опубликованный 20.06.05 г. с приоритетом от 22.06.04 г. «Способ порошкового пожаротушения и устройство для его осуществления».
Патент РФ №2254156 С1 выбран нами за прототип ввиду того, что он не только имеет максимальное количество аналогичных признаков изобретения по способу образования предварительно аэрированной газовой смеси и ее подачи через насадки-распылители в зону пожара под давлением, превышающим тепловую депрессию пожара со скоростью, превышающей скорость восходящего теплового потока от пожарной нагрузки, но и в том, что флегматизирующий газовый поток получают при сгорании твердотопливного заряда, размещенного в баллоне.
плoщ
объем
2
3
Совокупность действий и условия их осуществления в способе-прототипе обеспечивает скорость потока v≈20-50 м/с и не может обеспечить подавление дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых смесей, распространяющегося со скоростью 100-120 м/с (см. А.Н.Баратова. Горение - Пожар - Взрыв - Безопасность. - М; 2003, стр.169-170) и при этом имеют высокие значения огнетушащей концентрации: C=0.78 кг/м, С≥0,52 кг/м.
Известен модуль порошкового пожаротушения (Патент РФ №2283154, опубл. 20.03.2006 г., бюллетень №25 от 10.09.2006 г.), наиболее близкий по совокупности признаков к заявляемому устройству пожаротушения и выбранный нами за прототип. Модуль содержит нормированно разрушающийся корпус с крышкой и зарядом термореагирующего огнетушащего порошкового состава, внутри которого размещен газогенератор с инициатором, подключенным к системе сигнализации для принудительного его инициирования. При этом соотношение масс термореагирующего огнетушащего газогенерирующего заряда определяют по формуле:
,
ГГС
где М - масса газогенерирующего состава, кг;
гор
Q - тепло сгорания ГГС, кДж/кг;
ОПС
М - масса термореагирующего ОПС, кг;
Е - энергия активации ОПС, кДж/кг.
2
Недостатками устройства-прототипа являются его низкая эффективность тушения ЛВЖ и ГЖ и невозможность подавления дефлаграционного горения газовоздушных и пылевоздушных смесей вследствие того, что оно не обеспечивает создание сформированных газодисперсных потоков. При подрыве модуля-прототипа массой 5.06 кг разрушается наружный корпус и продукты сгорания газогенерирующего состава и продукты реакции термореагирующего огнетушащего состава (ТРОПС) выбрасываются в атмосферу, образуя сферическое (при подрыве в воздухе) или полусферическое (при подрыве на земле) аэрозольное облако площадью S=20 м, диаметром Ǿ=5 м (см. описание патента-прототипа №2283154).
При взрывоподавлении газовоздушных и газопылевых смесей протяженность защищаемой зоны должна быть не менее 20 м при скорости распространения фронта дефлаграционного горения метано-воздушной смеси (МВС) 100 м/с и времени индукции 0.05 с, после которого горение переходит во взрыв. Устройство-прототип обеспечивает за 0.02 с создание облака диаметром Ǿ=5 м, т.е. скорость потока составляет: R:τ =2.5 м : 0.02 с=125 м/с. Т.е. время прохождения направленного в одну сторону газодисперсного потока из модуля при защите 20 м туннеля составит 20 м:125 м/с=0.16 с, в то время, как через 0.05 с дефлаграционное горение МВС перейдет во взрыв (детонацию).
Отсюда следует, что для решения задачи необходимо поднять скорость подачи потока огнетушащего вещества ОТВ, как минимум, в 3.2 раза, т.е. до 400 м/с.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа газодисперсного тушения и устройства для его осуществления, позволяющих повысить эффективность тушения легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов и обеспечить подавление дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых смесей.
Поставленная задача решается предложенным способом газодисперсного пожаротушения и устройством для его осуществления, объединенных одним изобретательским замыслом.
Для получения вышеуказанного результата в заявляемом способе газодисперсного тушения ЛВЖ, ГЖ и подавления дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых образований осуществляют подачу газодисперсного потока огнетушащего вещества (ОТВ) из модульного устройства в зону пожара, при этом ингибирующую дисперсную фазу с ювенильной поверхностью и флегматизирующую дисперсионную среду вышеназванного газодисперсного потока формируют из сверхкритического флюида, образованного последующими действиями:
- инициируют с помощью пиропатрона с электропуском экзотермический процесс в термохимическом заряде, размещенном в реакционной камере, соединенной через выпускной клапан и демпферную камеру и впускной клапан с внутренней полостью газового баллона с газовым сжиженным флегматизатором и/или ингибитором горения;
- открывают выпускной клапан реакционной камеры и организуют истечение продуктов реакции термохимического заряда в демпферную камеру;
- по достижении давления в демпферной камере, превышающего давление насыщенных паров сжиженного газа в газовом баллоне, открывают впускной клапан на баллоне и организуют барботаж продуктов реакции термохимического заряда через сжиженный газовый флегматизатор и/или ингибитор горения до достижения сверхкритических значений давлений и температуры, необходимых для перевода образованной смеси огнетушащих веществ в сверхкритический флюид;
- параллельно с инициированием термохимического заряда инициируют пироэлемент на запорно-пусковом устройстве;
- открывают вышеназванное запорно-пусковое устройство, через сопло или сопла
организуют истечение газодисперсного потока огнетушащего вещества со сверхкритической скоростью в зону пожара.
Термохимический заряд в предлагаемом способе выполнен из дымного ружейного (ДРП) или пироксилинового (ПП) или баллистидного пороха, или смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ), или пиротехнического состава (ПС), или взрывчатого вещества (ВВ), либо в любой комбинации из них.
В качестве газового сжиженного флегматизатора горения берут диоксид углерода или шестифтористую серу, или «элегаз», или фторхладоны, а в качестве сжиженных ингибиторов берут бром- и/или йод-хладоны.
Способ осуществляют с помощью устройства - модуля газодисперсного пожаротушения, содержащего газовый баллон с зарядом газового сжиженного флегматизатора и/или ингибитора горения и размещенной внутри этого баллона реакционной камерой с термохимическим зарядом и пиропатроном с узлом электропуска, подключенным к системе пожарной сигнализации для принудительного инициирования термохимического заряда, причем для прохода продуктов реакции реакционная камера через ее выпускной клапан, демпферную камеру и впускной клапан соединена с внутренней полостью баллона со сжиженным газом, отличающегося тем, что запорно-пусковое устройство на газовом баллоне выполнено в виде, как минимум, двухслойного пыжа, впрессованного в корпус сифона, причем нижняя часть пыжа, соприкасающаяся с содержимым газового баллона, выполнена из термоплавкой фольги или пластины, а верхняя наружная часть пыжа выполнена из эластичного пироэлемента с электровоспламенителем, скоммутированным с узлом электропуска пиропатрона, при соотношении масс термохимического заряда и сжиженного газа:
ТХЗ
где М - масса термохимического заряда, кг,
реак
Q - теплота реакции, кДж/кг,
сж.газа
М - масса сжиженного газа, кг,
р
С - теплоемкость сжиженного газа, кДж/кг•К,
кр
Т - критическая температура для взятого вещества, К.
min
T - минимально допустимая температура эксплуатации устройства, К.
Сравнение заявляемого способа с прототипом и другими способами порошкового, газопорошкового и газодисперсного пожаротушения, а также заявляемого устройства с прототипом-модулем порошкового пожаротушения, выявленными в уровне техники, показало, что неизвестно техническое решение поставленной задачи, в которой бы имело место предложенное сочетание признаков.
Физическая сущность данного способа и устройства для его осуществления заключается в переводе вещества, обладающего флегматизирующим или ингибирующим действием на процессы горения, в новое агрегатное состояние - сверхкритичный флюид (СКФ), который по своим физическим свойствам не может быть отнесен к ранее известным агрегатным состояниям (твердое, жидкое, газообразное, плазма), т.к. вышеуказанный флюид, имея физическую плотность, сравнимую с жидкостью, обладает текучестью и мембранной проницаемостью, идентичной газам. При этом СКФ обладают исключительной растворяющей способностью, намного превосходящей органические растворители.
2
кр
кр
Эти свойства СКФ широко используют на Западе в промышленно развитых странах в различных отраслях промышленности и хозяйства, как-то - при химчистке одежды и материалов, растворении полимеров, органических и неорганических солей, например, хлоридов, бромидов, йодидов металлов, при импрегнации полимеров, для экстракции лекарственных и пищевых веществ из растительных материалов. При выводе растворов СКФ из критического состояния, т.е. при уменьшении температуры и давления ниже критических растворитель (СКФ) переходит в газообразное состояние, а растворенное или экстрагированное вещество трансформируется в аэрозоль, так называемого конденсационного типа с субмикронными и микронными размерами частиц. Наиболее распространенным для этих целей (более 90% от всех СКФ) является диоксид углерода СO, являющийся наиболее дешевым, экономически чистым и эффективным флюидом. Вода также может быть переведена в СКФ, но для этого требуются очень высокие давления (220 атм) и температуры (≥340°С), что энергетически невыгодно, особенно, по сравнению с диоксидом углерода (Т=31.05°С, Р=72.8 атм).
В патентных материалах, Интернете, научно-технической литературе ссылки на применение СКФ для тушения пожаров нами найдены не были.
Вышесказанное дает основание считать предложенный способ и устройство обладающими изобретательским уровнем.
Предлагаемое устройство для осуществления способа газодисперсного тушения иллюстрируется графическим изображением, представленным на чертеже.
Устройство содержит газовый баллон 5 с соплом 1 и запорно-пусковым устройством 2 с впрессованным в корпус сифона 3 слоеным пыжом-«эластичный пироэлемент/металлическая фольга» с узлом электропуска 4, а также сжиженный газовый флегматизатор 6 с размещенной в нем реакционной камерой 7, снаряженной термохимическим зарядом 8, с пиропатроном 9, с узлом электропуска 10, а также выпускной клапан 12, обеспечивающий проход продуктов реакции ТХЗ 8 из реакционной камеры 7 через демпферную камеру 13 и впускной клапан 11 в полость газового баллона 5 со сжиженным газовым флегматизатором и/или ингибитором горения 6.
Предлагаемое устройство для осуществления способа газодисперсного пожаротушения работает следующим образом. При подаче электрического импульса на узел электропуска пиропатрона 9 и узел электропуска и пыжа 4 одновременно воспламеняют эластичный пироэлемент пыжа и пиропатрон 9, который возбуждает химическую реакцию ТХЗ 8. При горении ТХЗ 8 продукты горения через выпускной клапан 12 перетекают в демпферную камеру 13, откуда при достижении в ней давления, превышающего давление насыщенных паров сжиженного флегматизатора и/или ингибитора 6 в полости газового баллона 5, через выпускной клапан или клапаны 11 барботируются в среде сжиженного газа 6, переводя его в сверхкритическое состояние, или в сверхкритический флюид.
При этом параллельно с горением ТХЗ происходит сгорание эластичного пироэлемента слоеного пыжа, а тепло, выделившееся при сгорании эластичного пироэлемента, расплавляет металлическую, например, фольгу, открывая выход для образованного СКФ через ЗПУ и сопло в зону пожара.
Согласно изобретению для испытаний было выполнено устройство на базе однолитрового газового баллона. Схема устройства приведена на чертеже.
Масса сжиженного флегматизатора диоксида углерода была взята 0.7 кг. В качестве ТХЗ использовали ДРП с теплотой горения 2.76 кДж/г.
Массу ДРП считают по формуле (1) для диапазона температур эксплуатации (-50°С)-(+50°):
2
р
Теплоемкость жидкого СO равняется С= 2.75 кДж/кг•град
«Слоеный» пыж в ЗПУ состоял из спрессованного эластичного пиронагревателя тока ЭПТ и алюминиевой фольги S=0.3 мм.
тр
3
Испытания проводили в трубе ⌀=1.13 м и длиной 10 м; V=10 м.
Торцы трубы с обеих сторон до половины диаметра закрыты фланцами. В камеру наливали 466 л воды и сверху 233 л бензина АИ-80.
С одного торца камеры устанавливали 1-литровый модуль согласно изобретению, а с противоположного - электронный фоторегистратор.
Одновременно с поджигом паров бензина в камере подавали напряжение на модуль и фоторегистратор. Через 0.021 с на противоположном от модуля конце трубы было зарегистрировано облако аэрозоля и очаг был потушен. Тушение бензина проводили также через 15 с после его поджига. Тушение очага происходило через 0.025 с.
Таким образом, скорость распространения газодисперсной струи составила 435-476 м/с, огнетушащая концентрация составила:
Заявляемый способ и устройство превосходят прототип по скорости потока в ≈3.6 раза, по объемной огнетушащей концентрации в
При этом достигается новый эффект - подавление дефлаграционного горения.
Список использованных источников
1. Патент РФ №2036674, опубликованный 09.06.95 г., «Способ получения огнетушащей струи».
2. Заявка РФ №95105555, опубликованная 20.11.96 г., «Способ тушения пожаров».
3. Патент РФ №2083243, опубликованный 10.07.97 г., «Способ тушения пожаров».
4. Заявка РФ №2005125096, опубликованная 20.02.07 г., «Способ и устройство для тушения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ ГЖ) в резервуарах».
5. Патент РФ №2241508, опубликованный 10.12.04 г., «Способ тушения пожара в резервуарах».
6. Патент РФ №2258549, опубликованный 20.08.05 г., «Способ тушения пожара в резервуаре и устройство для его осуществления».
7. Патент РФ №2243014, опубликованный 27.12.2004 г., «Способ тушения лесных пожаров».
8. Патент РФ №2135236, опубликованный 27.08.99 г., «Способ объемного тушения пожара и устройство для его осуществления».
9. Патент РФ №2134604, опубликованный 20.08.99 г., «Способ тушения пожара и состав для его осуществления».
10. Патент РФ №2115450, опубликованный 20.07.98 г., «Способ объемного тушения пожара и устройство для его осуществления».
11. Заявка № PCT/RU 2006/000167, опубликованная под № WO 2007/117168 А1, 18.10.2007 г. с приоритетом от 22.06.04 г.