ОГНЕТУШАЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
FIRE-EXTINGUISHING ELEMENT

Изобретение относится к технике пожаротушения с применением диспергированной воды (ДВ) и может использоваться для тушения различных пожаров как на открытой местности, так и в помещениях.
В настоящее время известны различные методы тушения пожаров с помощью ДВ с размером капель менее чем ~100 мкм и менее (см. например: Повзик Я.С. Пожарная тактика. // М.: ЗАО «СПЕЦТЕХНИКА», 1999, с.39) Высокая эффективность использования ДВ обусловлена ее огромной удельной поверхностью и возможностью охватить значительно больший объем по сравнению со струей, что позволяет обеспечить быстрое охлаждение горячей зоны пожара. Вместе с тем имеются принципиальные проблемы в реализации этих методов на практике для тушения реальных, особенно крупномасштабных пожаров. Дело в том, что мелкие капли (размером менее чем ~100 мкм) очень сильно тормозятся в газовой среде (с уменьшением размера частицы длина ее пути торможения в газе уменьшается). Дробление капель ДВ, возможное при их движении в газе, дополнительно препятствует их проникновению в пожар. В большинстве известных методов источник ДВ (в качестве которого обычно используются различные устройства с форсунками, соплами, пульсаторами давления и др.) располагается вне зоны пожара. В этом случае капли ДВ из-за их торможения в газе и дробления вообще могут не проникнуть в ядро большого пожара (т.е. в его наиболее горячую область) и будут увлечены периферийным течением газа вверх.
Известно огнетушащее импульсное устройство (Патент РФ №2111032, кл. А62С 3/02, В64D 1/16 от 20.05.98), в котором контейнер с огнетушащим веществом и зарядом взрывчатого вещества (ВВ) доставляется к месту пожара при помощи вертолета, сбрасывается в зону пожара и заряд ВВ подрывается, образуя облако диспергированного огнетушащего вещества (ОВ).
Недостатком такого устройства является возможность появления осколков и воздушной ударной волны, опасных для здоровья и жизни людей.
В описании патента РФ (Патент РФ 2295370, кл. А62С 3/00, опубл. 20.03.07 [1]) (прототип) предлагается для тушения пожаров применение огнетушащих элементов в виде герметичных капсул, заполненных водой (или другой огнетушащей жидкостью). При этом форма и размеры оболочки капсулы выбраны из условия обеспечения парового взрыва огнетушащей жидкости в течение малого, в пределах нескольких секунд, времени после начала нагрева оболочки пламенем пожара. Для тушения пожара в [1] предлагается вбрасывать в пламя пожара одновременно большое количество подобных капсул с характерными размерами 3-5 мм. При паровом взрыве каждой капсулы образуется облако ДВ. Характерные размеры такого облака относительно невелики (~0.1 м). При этом предполагается, что при взрыве каждой из капсул разлет ДВ будет происходить приблизительно равномерно по пространству, и при взрыве большого количества капсул эти облака будут смыкаться, образуя единое большое облако.
В [1] предлагается изготавливать капсулы в виде сфер или отрезков цилиндрических трубок с характерными размерами 3-5 мм.
3
Недостатком такого подхода является ограниченность объема огнетушащей жидкости (воды) в капсуле. Нетрудно оценить, что, например, для сферической капсулы с диаметром внутренней границы капсулы (диаметром «водяного заряда» капсулы) - 4 мм объем воды составляет V≈0,03 мл. Для капсулы из отрезка цилиндрической трубки с размерами цилиндрического объема воды диаметром 4 мм и высотой 4 мм - V≈0,05 мл. Поэтому потребуется очень большое количество подобных капсул для тушения реального крупномасштабного пожара. По расчетным оценкам [1] для снижения температуры 1 м пламени в зоне тушения до безопасного уровня требуется 0,5 л воды или ≈15000 таких капсул и соответствующие расходы на их изготовление. Это является недостатком прототипа.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность существенного (более чем на порядок) снижения количества капсул с огнетушащей жидкостью при формировании сопоставимого с прототипом по размеру облака ДВ, необходимого для тушения пламени в заданном объеме. При этом образуется облако ДВ, по качественным характеристикам не уступающее облаку ДВ, создаваемому в прототипе.
Этот результат достигается следующим образом.
В известном огнетушащем элементе, представляющем собой тонкостенную герметичную капсулу, заполненную огнетушащей жидкостью, материал, форма и размеры капсулы выбираются из условия обеспечения парового взрыва огнетушащей жидкости в течение малого заданного времени после начала нагрева оболочки пламенем пожара.
Новым является то, что в заявляемом огнетушащем элементе капсула имеет удлиненную форму, причем наименьший поперечный размер капсулы ограничен условием возможности нагрева капсулы до парового взрыва, а продольный размер капсулы не ограничен.
В частности, капсула может иметь цилиндрическую форму и ее диаметр должен быть ограничен указанным выше условием, а длина не ограничена.
В качестве огнетушащей жидкости может быть использована вода.
Оболочка подобной капсулы может быть изготовлена из стекла.
Время задержки парового взрыва капсулы может регулироваться выбором материала, поперечных размеров и толщины стенки капсулы.
Нагрев удлиненной по одному из трех измерений капсулы в пламени пожара можно также рассчитать, как и нагрев капсулы в прототипе, у которой все размеры ограничены указанным выше условием, независимо от того, является ли капсула сферической или изготовлена из отрезка цилиндрической трубки. Однако невозможно, опираясь на общие соображения, предсказать качество парового взрыва удлиненной капсулы с заявляемыми размерами, воспроизводимость и регулярный характер облака ДВ, образующегося при ее паровом взрыве, что делает неочевидным предлагаемый подход.
Экспериментально было показано, что при паровом взрыве стеклянных сферических капсул с водой имеются некоторые отклонения от идеальной формы облака ДВ вследствие развития неустойчивости Рэлея-Тейлора на границе облако ДВ - воздух. Но асимметрия облака ДВ в случае удлиненной (например, цилиндрической) капсулы оказывается не хуже уровня асимметрии облака ДВ при паровом взрыве сферической стеклянной капсулы. В экспериментах с удлиненными цилиндрическими капсулами даже при приблизительно равномерном нагреве капсулы при паровом взрыве образуется облако ДВ воспроизводимой регулярной приближенно цилиндрической формы. Это подтверждает возможность формирования при заявляемом подходе сопоставимого по качеству облака ДВ. Кроме этого, не подтвердилось предположение [1] о том, что с увеличением объема воды в капсуле будет увеличиваться характерный размер капель воды в облаке ДВ. По данным экспериментов размер капель воды не меняется с увеличением объема воды в капсуле, что свидетельствует о возможности сохранения качества облака при переходе к заявляемой форме капсул.
В сечении капсула может иметь любую форму, например, форму круга или эллипса. Время нагрева капсулы до парового взрыва определяется наименьшим из поперечных размеров капсулы, в частности, в случае круга - радиусом круга, в случае эллипса -наименьшим его диаметром. Оптимальной является цилиндрическая форма капсулы, так как в этом случае отношение массы стенки капсулы к массе огнетушащей жидкости будет минимальным. При этом предпочтительным при выборе материала стенки капсулы является стекло в силу того, что, как показывает опыт, этим обеспечивается наиболее симметричная форма облака ДВ. Таким образом, выбор указанной формы огнетушащего элемента позволяет добиться сопоставимости качества формируемого облака ДВ технологически более экономным путем, что выражается в существенном сокращении количества используемых для формирования облака ДВ капсул.
Время задержки парового взрыва капсулы может несколько варьироваться в зависимости от сценария пожара и способа использования капсул для его тушения. Временем задержки можно управлять не только материалом, поперечными размерами капсулы, но и толщиной стенки капсулы, поскольку от этой толщины зависит величина давления, при котором происходит разрушение оболочки и паровой взрыв. А давление, в свою очередь, зависит от температуры. Все это позволит расширить возможности управления процессом тушения пожара.
3
Положительные качества парового взрыва протяженной капсулы подтверждены серией экспериментов с цилиндрическими стеклянными капсулами с водой диаметром 5 мм, длина которых варьировалась до 100 мм. При взрыве капсулы длиной 100 мм облако ДВ имело диаметр около 300 мм и высотой ~120 мм. Нетрудно оценить, что для получения облака ДВ с суммарным объемом 1 м потребуется ~150 таких капсул (а не 15000, как в [1]).
В таблице приведены результаты расчетной оценки зависимости временной задержки парового взрыва капсулы от толщины стенки цилиндрической капсулы из стекла с внутренним диаметром оболочки 4 мм. Эта оценка основана на экспериментальных данных для толщины стенки 0,5 мм и нагрева капсулы пламенем горелки. В пламени пожара интенсивность нагрева существенно выше и время задержки будет существенно ниже.
Предложенное усовершенствование огнетушащего элемента позволило добиться результата более экономным путем (путем существенного сокращения количества капсул) при сохранении качества тушения.
Толщина стенки капсулы, мм
Температура парового взрыва, °С
Давление парового взрыва, МПа
Временная задержка парового взрыва, с
0,5
285
7,5
7
0,3
258
4,5
6,3
0,2
232
3,0
5,6