СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ДВУХФАЗНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО АЭРОЗОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТУШЕНИЯ ОЧАГОВ ВОЗГОРАНИЯ И ПОЖАРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ УКАЗАННОГО СПОСОБА
METHOD OF GENERATING FINE DUAL-PHASE GAS-LIQUID AEROSOL AND DEVICE FOR THE EXTINGUSHIN FIRE HAZARDS AND FIRES USING SAID METHOD

Изобретение относится к области обеспечения противопожарной безопасности и технических средств защиты от пожаров в случаях чрезвычайных ситуаций и возгорания на производственных, складских, жилых и бытовых объектах, в замкнутых помещениях и локализованных объемах, а также на открытом воздухе.
Известны способы генерации высокодисперсных двухфазных газожидкостных аэрозольных систем, приспособленных для целей пожаротушения путем подачи аэрозоля в зону возгорания с последующим созданием объемной преграды, обволакивающей очаг и зону возгорания, снижающей температуру области горения и отсекающей пути поступления в нее окислителя.
В зависимости от природы и способа получения используемой газовой фазы способы генерации пожаротушащих газожидкостных двухфазных аэрозольных систем в отдельном смесительном устройстве можно подразделить на три основных типа:
1) на базе инертных и не поддерживающих горение газов (баллонного хранения),
2) на базе сжатого воздуха (баллонного хранения либо подаваемого при помощи компрессора),
3) на базе негорючих газов и газовых смесей, получаемых с помощью газогенераторов и химических источников.
Газожидкостные аэрозоли формируются, как правило, в специальных смесительных узлах и устройствах (распылительных головках) при подаче в них жидкой фазы под действием повышенного давления газовой фазы. Сформированная в результате инжекции, смешения и распыления газожидкостная система содержит мелкие (размером 20-200 мкм) капли жидкой фазы (воды или воды с добавлением поверхностно активных веществ - ПАВ), равномерно распределенной в виде тумана или взвеси в объеме доминирующей газовой фазы. Свойства двухфазной системы, имеющие значение для эффективности пожаротушения, зависят от индивидуальных свойств жидкой и газовой фаз, их взаимного соотношения, размеров частиц и многих других факторов.
Наиболее эффективным способом генерации пожаротушащих аэрозолей является их формирование с помощью инертных и не поддерживающих горение газов. Однако этот способ ограничен в применении тремя факторами: 1) необходимостью содержать газы в баллонах высокого давления, 2) незначительной производительностью системы, 3) малым зарядом газа в баллоне. При этом требуемое для генерации пожаротушащего аэрозоля избыточное давление создается в баллоне путем предварительного сжатия. В случае попадания баллона со сжатым до высоких значений давления газом в зону горения и его дальнейшего разогрева возможно превышение прочностных характеристик баллона и его последующее разрушение, сопровождаемое взрывом независимо от содержимого. Эта особенность баллонного хранения сжатых газов представляет серьезную опасность как для лиц, находящихся в окрестностях пожара, так и для материальных ценностей и зданий.
Среди устройств, реализующих данный способ генерации пожаротушащего аэрозоля, наибольшее распространение получили мобильные установки, снабженные баллонами высокого давления. В них помещают инертный либо не поддерживающий процессов горения газ (азот или углекислоту, а также сжатый воздух), используемый для генерации мелкодисперсного водного аэрозоля в распылительном узле смешения. Устройства в общем случае могут быть как стационарные, так и мобильные /А.Л.Душкин, А.В.Карпышев. Распылитель жидкости и огнетушитель, снабженный распылителем. Патент на изобретение RU №2158151 по заявке №2000100616. Приоритет от 13.01.2000. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 27 октября 2000 г.; И.А.Лепешинский. Установка пожаротушения. Заявка на изобретение: RU 2004101951 А, МПК А62С 31/00 (2006.01). Заявка: 2004101951/12, 27.01.2004. Опубл. 20.03.2006. Бюл. №8/.
Использование газовых баллонов высокого давления является серьезным недостатком такого рода конструкций.
Следующий способ генерации газожидкостного аэрозоля основан на использовании сжатого воздуха от создающего избыточное давление компрессора-нагнетателя. Этот способ свободен от недостатков, присущих системам с газовыми баллонами высокого давления, однако в качестве газового агента двухфазной аэрозольной системы здесь используется атмосферный воздух, что отрицательно влияет на эффективность пожаротушения. С целью снижения концентрации окислителя - молекулярного кислорода - в двухфазной системе необходимо увеличивать концентрацию жидкой фазы аэрозоля, что приводит к значительному росту расхода жидкой компоненты. В результате теряются главные преимущества технологии аэрозольного пожаротушения, и она приближается к традиционным способам борьбы с огнем путем залива его значительными количествами мелкораспыленной воды.
Существуют различные технические решения и конструктивные решения устройств пожаротушения, реализующие этот способ генерации двухфазной аэрозольной системы. Например, известно устройство аэрозольного пожаротушения, в котором избыточное давление газовой фазы создается с помощью воздушного поршневого компрессора, приводимого в действие электромотором, а водно-воздушный аэрозоль генерируется в отдельном узле смешения /М.П.Верещагин, А.В.Карпышев, Н.И.Куликов. Центробежный компрессорный агрегат и электродвигатель. Патент на изобретение RU №2150609 по заявке №99103171. Приоритет от 18.02.1999. Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 10 июня 2000 г./.
Такие системы обладают более высокой пожарной безопасностью по сравнению с баллонными системами, но существенно меньшей автономностью. Для их устойчивой эксплуатации требуется постоянный подвод электроэнергии к приводному двигателю компрессора. Этого недостатка лишена конструкция, в которой привод компрессора осуществляется от двигателя внутреннего сгорания, что обеспечивает полную автономность устройства /Пожарный микроавтомобиль широкого назначения БАГГИ МАП-2-1,0. Сайт http://www.tempero.ru/.
Однако в обоих случаях в качестве газового агента двухфазной аэрозольной системы используется воздух, что снижает эффективность применения такого рода устройств.
Третий способ генерации газожидкостной аэрозольной системы основан на образовании негорючего и не поддерживающего горение газа (газовой смеси) в отдельном устройстве - газогенераторе - в результате каких-либо химических и термохимических процессов (обычно горения). Этот способ выгодно отличается от рассмотренных выше способов, поскольку обеспечивает более высокую эффективность пожаротушения по сравнению с компрессорными водно-воздушными системами и лишен недостатков и ограничений баллонных систем. Однако главным недостатком данного способа является малая производительность химических газогенераторов, поскольку интенсивность химических процессов во многом определяется температурой. Кроме того, резкое изменение параметров химической системы (температуры, давления, состава, концентрации реагентов) может существенно повлиять на селективность целевых реакций, что в результате чревато изменением состава газовой фазы на выходе. Недостатком данного способа является также серьезная зависимость от качества реагентов, которые часто представляют собой достаточно нестойкие во времени вещества, способные самопроизвольно разлагаться с полной потерей своих потребительских свойств.
Устройства, реализующие данный способ, сильно привязаны к целевому процессу, в результате осуществления которого и происходит образование негорючего газа (газовой смеси) и генерация аэрозоля. Большое распространение в настоящее время получили системы объемного пожаротушения при помощи газоаэрозольных смесей, получаемых путем сжигания твердого заряда с образованием распределенного по объему облака продуктов сгорания - ингибиторов пламен /В.Н.Бордаков, В.Б.Минц. Способ объемного тушения пожаров и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение: RU 94044798/12, А62С 2/00, 1997/.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются предложенные И.К.Котляр предотвращающие пожар и ликвидирующие пожар системы и пригодные для дыхания огнегасящие составы с пониженным содержанием кислорода для занимаемых людьми помещений /RU 2002130714, 2004, A62D 1/00/. Предложенные системы представляют собой обедненные кислородом (10-16%) газовые смеси, включающие в себя также азот, углекислоту (4-5%), пары воды и прочие входящие в состав атмосферного воздуха компоненты. Недостаток окислителя в составе предложенных газовых смесей не позволяет поддерживать интенсивное горение, но дает возможность людям дышать в атмосфере пожаротушащей среды. Недостатком данного способа пожаротушения является необходимость полной изоляции объема при возгорании перед подачей туда пожаротушащей газовой смеси. Кроме того, предложенные системы не обладают свойствами активного воздействия на очаги возгорания, а главным огнетушащим фактором является пониженная концентрация окислителя. При этом система никак не воздействует на токсичные продукты сгорания и не препятствует распространению пламени в дисперсных средах, являющихся зачастую источниками эмиссии окислителя при пожаре. В случае нарушения герметичности в помещение обеспечен приток атмосферного воздуха, что неизбежно приведет к увеличению концентрации кислорода и резкой интенсификации процессов горения. В патенте предполагается хранение огнетушащих газовых сред в закрытых емкостях (баллонах) либо их изготовление в специальных устройствах и системах, заключающееся в обеднении воздуха кислородом. Все перечисленные в патенте устройства и системы ориентированы исключительно на замкнутые герметично закрытые объемы и помещения.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности и надежности пожаротушения путем генерации высокодисперсной аэрозольной двухфазной газожидкостной системы и распыления ее в зоне возгорания.
Для решения указанной задачи предлагается способ генерации высокодисперсного двухфазного газожидкостного аэрозоля, заключающийся в смешении газовой смеси с капельно-жидкой фазой. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что газовую фазу аэрозоля формируют на основе продуктов сгорания органического топлива газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания, причем коэффициент избытка воздуха при сжигании топлива либо при смешении продуктов сгорания с воздухом подбирают так, чтобы концентрация кислорода перед распылительным узлом была ниже минимально необходимой для поддержания процессов горения, но достаточна для обеспечения дыхания теплокровных животных и людей.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство генерации высокодисперсного двухфазного газожидкостного пожаротушащего аэрозоля в отдельном распылительном узле. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно включает в себя газовый компрессор, находящийся на одном валу с двигателем привода, причем патрубок отвода отработавших газов двигателя привода соединен с линией всасывания газового компрессора, а напорный патрубок газового компрессора соединен с входным патрубком распылительного устройства.
Дополнительно предлагается топливный насос двигателя и электрогенератор двигателя установить на одном валу с газовым компрессором.
Дополнительно предлагается в качестве двигателя привода применить газовую турбину.
Дополнительно предлагается устройство оснастить жидкостным насосом, вход которого соединить с водяным баком или штуцером гидранта, а выход соединить с входным патрубком смесителя.
Предлагаемый способ генерации двухфазной аэрозольной системы объединяет достоинства множества перечисленных выше способов без потерь качества и надежности пожаротушения. Управление концентрацией продуктов сгорания на выходе из двигательного агрегата может быть осуществлено путем изменения коэффициента избытка воздуха на входе. Таким образом, возможно адаптивное регулирование производительности системы и состава газовой фазы пожаротушащего аэрозоля. Производительность устройства можно легко варьировать посредством изменения подачи топлива и кислорода (дроссельной заслонкой) в камеру (камеры) сгорания.
При отсутствии в продуктах сгорания токсичных компонентов (монооксида углерода, оксидов азота и серы, а также остатков углеводородных цепей) общая безопасность системы значительно возрастает. Этого можно достигнуть за счет оптимизации процессов горения в камере сгорания двигательного агрегата, то есть при полном сгорании углеводородных топлив, либо в случае применения в качестве рабочего тела двигателя легких углеводородов (метана, этана, пропана и бутана) или спиртового топлива (например, метанола, этанола или диметилового эфира).
Эффективность системы еще более возрастает в случае применения в качестве двигательного агрегата газовой турбины, находящейся на одном валу с газовым компрессором. В этом случае механический коэффициент полезного действия становится максимальным, а горячие продукты сгорания с минимальными потерями поступают на линию всасывания компрессора, где в нужной пропорции могут быть смешаны с воздухом или поданы непосредственно в узел смешения генератора аэрозоля.
При использовании известных на настоящий момент из уровня техники способов и средств пожаротушения путем распыления мелкодисперсного водного аэрозоля в газовом потоке, как правило, требуется активное участие персонала (пожарных) в примыкающей к очагу возгорания зоне, что может быть сопряжено с риском для жизни. Желательно, чтобы система пожаротушения была способна функционировать в автономном и автоматическом режиме, не требующем присутствия человека в опасной высокотемпературной зоне.
Главными положительными особенностями предлагаемого изобретения являются компактность в сочетании с высокими производительностью по аэрозолю и коэффициентом полезного действия (к.п.д.), а также возможность полной автоматизации процесса дистанционного пожаротушения.
Общая схема осуществления предлагаемого способа генерации высокодисперсного двухфазного газожидкостного пожаротушащего аэрозоля включает в себя в качестве основных элементов: камеру сгорания, в которой осуществляется сжигание органического топлива в присутствии окислителя, компрессор, где происходит сжатие получаемых в камере сгорания продуктов сгорания, и смесительное либо смесительно-распылительное устройство, в котором обогащенный продуктами сгорания топлива сжатый воздух смешивается с водой или поверхностно-активными веществами (ПАВ) и в виде двухфазного мелкодисперсного аэрозоля подается в зону горения на объект пожаротушения.
На фиг.1 представлена общая блок-схема примерной компоновки устройства для реализации указанного способа генерации аэрозоля, на фиг.2 - схема предлагаемого варианта исполнения устройства без изображения двигательного агрегата (ДВС или газовой турбины) с примерным эскизом инжекторного смесителя, на фиг.3 - примерная компоновочная схема установки аэрозольного пожаротушения в случае использования газовой турбины в качестве двигательного агрегата, на фиг.4 представлена примерная блок-схема автоматизированного комплекса дистанционного пожаротушения с использованием предлагаемого устройства, где 1 - аккумуляторная батарея, 2 - стартер, 3 - топливный бак, 4 - топливный насос высокого давления, 5 - газогенератор, 6 - теплообменник-охладитель продуктов сгорания, 7 - камера сгорания газовой турбины, 8 - газовая турбина, 9 - воздушный фильтр, 10 - воздушный компрессор, 11 - смеситель воздуха с продуктами сгорания, 12 - компрессор рабочей газовой смеси, 13 - водяной насос, 14 - водяной бак, 15 - распылительное устройство, 16 - выпускной патрубок, 17 - вал, 18, 19 - рабочие колеса газового компрессора, 20 - нагнетательный патрубок смесительного устройства, 21 - жидкостная магистраль, 22 - отверстия, 23 - коллектор жидкого агента, 24 - конфузор, 25 - диффузор, 26 - пожарные датчики (чувствительные элементы), 27 - анализатор центрального контроллера, 28 - исполнительный механизм, 29 - вспомогательное устройство, 30 - устройство пожаротушения.
Далее изложены комментарии к представленным на фигурах графическим материалам.
Общая блок-схема примерной компоновки устройства для реализации указанного способа генерации аэрозоля (см. фиг.1) включает в себя: аккумуляторную батарею 1 со стартером 2 для запуска двигательного агрегата 8, бак для органического топлива 3 и воздушный фильтр 9, обеспечивающие работу двигателя, собственно двигательный агрегат (двигатель внутреннего сгорания или газовая турбина) 8, газовый компрессор 12 для сжатия продуктов сгорания (все агрегаты посажены на общий вал 17), а также водяной бак или гидрант 14 и смесительное устройство 15, в котором происходит формирование двухфазного газожидкостного пожаротушащего аэрозоля, подаваемого к объекту пожаротушения (источнику возгорания). Существо базовой схемы (см. фиг.2) ясно из представленного чертежа. Газообразный агент (воздух и продукты сгорания двигателя 8) через выпускной патрубок 16 после сжатия на рабочих колесах 18 и 19 газового компрессора 12, расположенного на одном валу 17 с двигательным агрегатом 8, под высоким давлением подаются в нагнетательный патрубок 20 смесительного устройства 15, куда выведена магистраль жидкого агента (воды или ПАВ) 21. В смесительном устройстве 15 осуществляется интенсивное перемешивание газовой, подаваемой по газовой магистрали 20 (нагнетательный патрубок), и жидкой, подаваемой водяным насосом 13 по жидкостной магистрали 21 (через отверстия 22 коллектора жидкого агента 23), компонент формируемого двухфазного аэрозоля. Газожидкостная смесь после сжатия в конфузоре 24 попадает в диффузор 25, где происходит ее расширение и окончательная диспергация до получения пожаротушащего аэрозоля, который обеспечивает эффект пожаротушения на объекте возгорания (см. фиг.1).
На фиг.3 изображена примерная компоновочная схема предлагаемого устройства при использовании газовой турбины в качестве двигательного агрегата.
Аккумуляторная батарея 1 служит для питания пускового стартера 2, в качестве которого, как правило, применяется электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо для газовой турбины 8 поступает из топливного бака 3 и топливным насосом высокого давления 4 подается через газогенератор 5 в камеру сгорания 7, где происходит его сжигание в присутствии окислителя (воздуха), подаваемого туда через воздушный фильтр 9 воздушным компрессором-нагнетателем 10. Отработавшие продукты сгорания газовой турбины 8 отдают через теплообменник-экономайзер 6 избыток теплоты топливу на входе в газогенератор. В смесителе 11 происходит перемешивание воздуха с охлажденными в теплообменнике 6 продуктами сгорания, после чего смесь поступает на линию всасывания компрессора рабочей газовой смеси 12. Сжатая в компрессоре 12 до требуемого давления рабочая газовая смесь подается на вход смесительно-распылительного устройства - локального генератора аэрозоля 15, куда также водяным насосом 13 из водяного бака или гидранта 14 подается жидкий агент - вода и (или) жидкие поверхностно-активные вещества (ПАВ). В смесительно-распылительной головке 15 осуществляется интенсивная генерация высокодисперсного двухфазного газожидкостного аэрозоля. Сформированный аэрозоль распыляется в окрестности возгорания или пожара, снижая температуру, отсекая окислитель и ликвидируя очаги возгорания (см. фиг.1). Все указанные на схеме агрегаты и вращающиеся рабочие органы смонтированы на общем валу 17 (см. фиг.2) с применением шлицевых соединений. Таким образом минимизируются механические потери на привод основных компонентов схемы. Система обладает высокой производительностью и может обеспечить независимую работу нескольких десятков смесительных головок-распылителей на одном мобильном пожарном стволе или при стационарном сетевом монтаже газовой и жидкостной линий высокого давления на охраняемом объекте.
На фиг.4 представлена примерная блок-схема автоматизированного комплекса дистанционного пожаротушения. Она включает пожарные датчики 26 - чувствительные элементы, сигнал от которых поступает на анализатор центрального контроллера 27, снабженного исполнительными механизмами 28 и вспомогательными устройствами 29 для активизации процесса дистанционного пожаротушения в автоматическом режиме. Сигнал с контроллера включает устройства пожаротушения 30, переводит их в активное состояние (запускает двигательные агрегаты 8 и позволяет поднять давление в пожарных жидкостном и газовом трубопроводах до рабочего уровня) и осуществляет распыление двухфазного пожаротушащего аэрозоля в зоне возгорания (см. фиг.1), не дожидаясь перехода пожара в активную фазу. Местные смесительные головки образуют сеть, покрывающую область возможных очагов возгорания, распространения пламени и поступления окислителя в зоны пожара. Их расположение может быть рассчитано с использованием трехмерного численного моделирования.
Способ осуществляют, а устройство работает следующим образом.
Органическое топливо в присутствии окислителя (кислорода воздуха) сгорает в камере сгорания с образованием газообразных продуктов сгорания, низкое содержание кислорода в которых не позволяет поддерживать процессы горения, но позволяет дышать. Эти продукты сгорания (газообразный агент двухфазной системы) при повышенном (после компрессора) давлении поступают на устройство смешения с жидким агентом двухфазной системы (водой или ПАВ). В результате интенсивного перемешивания образуется облако высокодисперсного двухфазного газожидкостного аэрозоля, обладающего пожаротушащими свойствами.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом (см. фиг.1).
Аккумуляторная батарея 1 питает на начальном этапе пусковое устройство (стартер) 2 двигательного агрегата 8, штатно работающего на поступающем из топливного бака 3 органическом топливе. Топливо сжигается в камере сгорания двигательного агрегата 8 в присутствии окислителя (кислорода воздуха), который поступает туда через воздушный фильтр 9. Двигательный агрегат 8 приводит в действие все движущиеся компоненты схемы через общий вал 17. Патрубок отвода отработавших газов продуктов сгорания двигательного агрегата 8 соединен с линией всасывания газового компрессора 12, создающего избыточное давление на линии нагнетания. На линию всасывания компрессора может также подаваться воздух для увеличения концентрации кислорода до безопасного для дыхания человека и теплокровных животных уровня. Продукты сгорания двигательного агрегата 8 (в смеси с воздухом) под высоким давлением поступают в смесительно-распылительное устройство 15, где смешиваются и распыляются с поступающим из водяного бака или гидранта 14 жидким агентом, формируя облако двухфазного газожидкостного аэрозоля. Облако обволакивает объект пожаротушения (источник возгорания) и, препятствуя поступлению окислителя и понижая температуру в области возгорания, интенсивно тушит возгорание (пожар).
Двигательный агрегат 8, находясь механически на одном валу 17 с центробежным компрессором 12, сообщает ему кинетическую энергию вращения, необходимую для создания высокого давления газовой компоненты аэрозоля, подаваемой на линию всасывания. За счет энергии вращения вала компрессора 12 в рабочем объеме (на лопатках рабочих колес) осуществляется интенсивное сжатие газового агента (смеси продуктов сгорания двигательного агрегата с атмосферным воздухом) до требуемого давления.
Формирование высокодисперсной двухфазной газожидкостной системы - аэрозоля осуществляется в рабочем объеме смесительного устройства 15 (см. фиг.2) путем подачи в него необходимого количества газового агента при достаточном избыточном давлении с последующей инжекцией в него жидкой компоненты (воды или воды в смеси с поверхостно-активными веществами - ПАВ).
Требуемый технический результат во многом достигается за счет механического совмещения на одном валу двух устройств: двигательного агрегата 8 (газовой турбины) и центробежного компрессора 12 - источника высокого давления газовой фазы - условия формирования двухфазной высокодисперсной газожидкостной системы - пожаротушащего аэрозоля.
Двигательный агрегат 8 (предпочтительно газовая турбина) служит, с одной стороны, приводом центробежного компрессора 12 - источника избыточного давления газовой фазы - необходимого условия для генерации аэрозоля, с другой стороны, продуктивным источником большого количества негорючих газообразных высокотемпературных продуктов сгорания в качестве необходимой составляющей газовой компоненты пожаротушащего аэрозоля.
Выбор в качестве двигательного агрегата газовой турбины обусловлен:
1) высоким механическим и термическим к.п.д., 2) большой частотой вращения вала турбины (выше 10000 об/мин), 3) значительным объемным потоком высокотемпературных газообразных негорючих продуктов сгорания. Перечисленные факторы способствуют достижению высокого суммарного к.п.д. предлагаемого устройства в целом и формированию значительного выхода высокодисперсной газожидкостной системы - аэрозоля.
Температура продуктов сгорания газовой турбины (достаточно высокая) может быть понижена при частичном смешении с воздухом перед подачей на линию всасывания компрессора. Затем она возрастает за счет теплоты, выделяющейся при компримировании. Это препятствует растворению газовой фазы в жидкой и снижает возможность замерзания трубок агрегата при эксплуатации устройства в зимнее время. Наконец, температура потока сильно понижается при частичном испарении частиц аэрозоля в газовой среде, значительно повышая ее влагосодержание. Полученная таким способом высокодисперсная газожидкостная система (пожаротушащий аэрозоль) выбрасывается через сопло-диффузор в направлении источника возгорания (пожара).
Обладающая малым удельным весом (большим удельным объемом) высокодисперсная двухфазная газожидкостная система (аэрозоль) в течение достаточно длительного времени удерживается во взвешенном состоянии в воздухе, обволакивая источник возгорания (объект пожаротушения) и отсекая его от поступления свежих порций окислителя (кислорода воздуха) извне за счет замещения его смесью продуктов сгорания газовой турбины с воздухом в негорючей (обедненной окислителем) концентрации и мелкодисперсными каплями жидкой фазы. Таким образом, резко снижается среднемассовая энтальпия удельного объема газовой фазы в окрестности области возгорания, и происходит тушение пожара (так называемое объемное пожаротушение). При этом, за счет замещения кислорода воздуха в зоне возгорания двухфазной пламегасящей газожидкостной смесью, не требуется присутствия пожарных в непосредственно примыкающей к зоне распространения пламени области. Это позволяет использовать предлагаемое устройство в автоматическом режиме (см. фиг.4).
Подача топлива в двигательный агрегат предлагаемого для технической реализации способа по п.1 с помощью устройства по п.2 может быть осуществлена либо от малогабаритного бака в непосредственной близости от турбины, либо по пожарозащищенному топливопроводу под давлением в случае размещения устройства на специальной штанге (пожарной лестнице, консоли или траверсе) с целью локализации очага возгорания на безопасном для оператора устройства расстоянии (в случае реализации мобильной схемы).
В качестве топлива могут быть использованы как традиционные энергоносители (бензин, бензомасляная смесь, авиационный керосин), так и легкие углеводороды ряда метана, а также, предпочтительно, низшие спирты и эфиры (метанол, этанол, диметилэфир и т.д.), образующие в качестве продуктов полного сгорания негорючие нетоксичные газовые смеси (диоксид углерода и водяной пар).
Подача жидкого агента для формирования аэрозоля (в простейшем случае - воды, воды с добавлением ПАВ и пр.) может быть осуществлена как самотеком, так и под давлением.
Основным и наиболее важным отличием предлагаемого способа генерации высокодисперсного двухфазного пожаротушащего аэрозоля и реализующего его технического устройства является возможность полной автоматизации его работы (см. фиг.4). Для этого необходимо оборудовать автономную замкнутую сеть дистанционного автоматизированного слежения за подконтрольным объектом в совокупности с установкой гидравлической и пневматической линий разводки фаз и местных распылительных устройств 15 (инжекционных головок).
Предусмотрено автоматическое включение системы в случае подачи сигнала о возгорании от местного противопожарного датчика (см. фиг.4). Технические особенности предлагаемого устройства позволяют тушить очаги возгорания и пожары как в локализованных объемах, так и на открытом воздухе, используя принцип интенсивной генерации мелкодисперсного водного аэрозоля с заполнением окрестности очага возгорания негорючей двухфазной взвесью.
Низкая концентрация жидкой фазы водного аэрозоля позволяет использовать предлагаемое устройство в том числе и для тушения объектов, находящихся под высоким электрическим напряжением. Для повышения эффективности пожаротушения с его помощью, кроме воды, могут использоваться различные поверхностно-активные вещества - ПАВ.
Существенной особенностью, повышающей надежность эксплуатации предлагаемого технического устройства, является возможность обеспечения его полной автономности и энергонезависимости от внешних источников.
В режиме слежения автоматической дистанционной системы активизируются лишь датчики, опрашиваемые по заданной заранее оператором программе. В случае поступления положительного отклика с локального датчика на исполнительный контроллер активизируется программа запуска, обеспечивающая быстрый перевод устройства в рабочий режим, и далее непосредственно процесс пожаротушения в окрестностях датчика, с которого поступил сигнал об опасности.
Технические особенности предлагаемого устройства обеспечивают его устойчивую эксплуатацию в широком диапазоне рабочих температур, что отчасти обусловлено как возможностью использования различных жидких агентов (в том числе ПАВ) для формирования аэрозоля, так и нагревом элементов устройства в рабочем режиме компонентами двухфазной смеси.
Технические условия, определяющие основные характеристики и особенности эксплуатации предлагаемого устройства аэрозольного пожаротушения, состоят в необходимости формирования заданного количества (производительности) аэрозоля за единицу времени.
3
Например, при отношении газообразной и жидкой компонент в составе аэрозольной двухфазной системы 1000:1 и примерной производительности установки по аэрозолю 1 м/с расходы газообразной и жидкой фаз составят соответственно:
г
ж
3
Q=1 м/с и Q=1 л/с.
Использование предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Реализация предлагаемого устройства при использовании в качестве двигательного агрегата поршневого (роторного) двигателя внутреннего сгорания.
В качестве силового устройства привода центробежного компрессора использован двигатель внутреннего сгорания (двух- или четырехтактный бензиновый либо дизель и т.д.) (см. фиг.1). На одном валу (через упругую компенсационную муфту) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) смонтирован центробежный газовый компрессор. Выпускная система двигателя через специальный патрубок выведена на линию всасывания компрессора. Конструкция ДВС обеспечивает быстрый запуск и прогрев устройства, а также управление частотой вращения вала компрессора при помощи дроссельной заслонки. Помимо выпускной системы, на линию всасывания компрессора можно подать воздух от воздушного фильтра ДВС или напрямую. Линия нагнетания центробежного компрессора соединена с пожарной штангой или стволом либо с гибким шлангом, на оконечнике которого закреплено смесительное инжекционное устройство для подачи жидкого агента формируемого высокодисперсного двухфазного аэрозоля. Жидкий агент подается в смеситель самотеком либо при помощи механического жидкостного насоса, смонтированного на ДВС (возможно применение электрического насоса). Расход жидкого агента можно варьировать с помощью специального клапана и байпасной линии. Электропитание системы осуществляется от автономной линии, в состав которой входят: аккумуляторная батарея, генератор постоянного тока и контроллеры управления. Такая система может быть смонтирована в составе автономного автоматизированного противопожарного комплекса, полностью энергонезависимого и снабженного сенсорными датчиками (стационарное устройство). Она может быть также использована в составе специального автомобиля или катера, обеспечивая быстрый доступ к очагам возгорания и блокирование распространения пожара с помощью высокодисперсного аэрозоля (мобильное устройство). Стационарное устройство можно рекомендовать для организации противопожарных линий в отдельно расположенных складских помещениях, куда не выгодно прокладывать электросети, либо используемые нерегулярно или посезонно. Мобильное устройство рекомендуется использовать для обеспечения противопожарных бригад и расчетов, целесообразно применять при быстром тушении локальных пожаров. Производительность устройства определяется мощностью ДВС и производительностью газового компрессора (в случае малой производительности может быть использован поршневой компрессор).
Пример 2. Реализация предлагаемого устройства при использовании в качестве двигательного агрегата газовой турбины, работающей на традиционном топливе.
Система в схемном отношении построена аналогично Примеру 1, однако дополнена некоторыми элементами (см. фиг.3). В качестве силового устройства привода центробежного компрессора применена газовая турбина 8, для запуска которой, как правило, используется стартер 2 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС) или электродвигатель. С точки зрения автономности системы в целом ДВС предпочтительнее. Газовая турбина 8 размещена на одном валу с топливным насосом высокого давления 4, центробежными компрессорами 10 и 12 и водяным насосом 13 (в данном случае компенсационной муфты не требуется в силу технических особенностей устройств, достаточно шлицевых соединений). Выпускная система выведена через смеситель 11 на линию всасывания компрессора 12. Остальное оборудование схемы построено аналогично Примеру 1. Система рассчитана на большую, чем в Примере 1, производительность. Она может входить в состав автономного автоматизированного комплекса пожаротушения, позволяя осуществлять включение локальных генераторов аэрозоля в ответ на сигналы противопожарных датчиков. Системы, описанные в Примерах 1 и 2, можно использовать в нежилых помещениях и на открытом воздухе в составе стационарных или мобильных комплексов пожаротушения. Как правило, в составе отработавших газов ДВС и газовых турбин, работающих на традиционном углеводородном топливе, присутствуют такие токсичные газовые компоненты, как монооксид углерода, оксиды азота и серы. Это несколько ограничивает применимость описанных в Примерах 1 и 2 систем.
Пример 3. Реализация предлагаемого устройства при использовании в качестве двигательного агрегата газовой турбины, работающей на метаноле.
Наиболее приемлемым газофазным агентом для формирования слоя (облака) противопожарного аэрозоля является поток продуктов сгорания низших органических систем (спиртов). Низшие спирты (в частности, метанол и этанол) при сгорании в окислительной среде - атмосфере воздуха - выжигают кислород-окислитель из зоны возгорания, образуя негорючие и нетоксичные продукты сгорания: двуокись углерода и пары воды, обладают значительной компактностью при хранении и, в отличие от газофазных систем, хорошо воспламеняются и столь же легко могут быть затушены. Таким образом, низшие спирты могут быть успешно использованы в качестве топлива для привода газовой турбины, а продукты их сгорания - для формирования тушащего аэрозоля в качестве газофазного агента слоя.
Система полностью повторяет схему, изложенную в Примере 2, и отличается от нее лишь возможностью использования в жилых помещениях за счет нетоксичности продуктов сгорания метанола и этанола. С другой стороны, при использовании метанольных систем следует помнить об исходной высокой токсичности этого вещества и хранить и использовать его со всеми необходимыми мерами предосторожности.
Пример 4. Реализация предлагаемого устройства при использовании в качестве двигательного агрегата газовой турбины, работающей на метаноле, при полной автоматизации комплекса на промышленном или складском объекте.
Система, описанная в Примере 3, дополнена сетью трубопроводов (газовая и водяная линии), сигнальных коммуникаций, микропроцессорным блоком управления оборудованием, стабилизированными автономными источниками питания, системой резервирования основного и вспомогательного оборудования (см. фиг.4).
Главными отличиями предлагаемого изобретения от всех его предыдущих аналогов является чрезвычайно большая максимальная производительность, обусловленная использованными при разработке идеями, и возможность полной автоматизации, изначально заложенная при проектировании.
Две или три установки, связанные в единую систему, способны в автоматическом режиме обслуживать значительную площадь (тысячи квадратных метров) производственных, складских, торговых, музейных и жилых помещений, обладая большим эксплуатационным резервом.
До каждой распылительной инжекционной головки (локального генератора высокодисперсного двухфазного газожидкостного аэрозоля) должны идти две зарезервированные линии: газопневматическая и жидкостная. Газопневматическая линия выходит с нагнетательных линий центробежных компрессоров и обеспечивает поступление смеси воздуха и продуктов сгорания метанола с газовой турбины под давлением на впускной штуцер локального смесительного устройства - генератора аэрозоля. Жидкостная линия обеспечивает подачу жидкого агента двухфазной системы от бака через жидкостный насос в инжекционный контур смесительного устройства.
Сигнал на запуск подается от пускового контроллера при наличии тревожного отклика по крайней мере от одного противопожарного датчика (инфракрасного, кондуктометрического, оптического или химического) сети наблюдения. Опрос и тестирование датчиков происходят в автоматическом режиме, включая контрольные проверки их чувствительности. В зависимости от высоты помещений и их геометрических особенностей один смеситель-генератор аэрозоля (рабочая головка) может обеспечить эффективное пожаротушение от 50 до 200 кв. м и более.