Модуль газового пожаротушения
GASEOUS FIRE SUPPRESSION MODULE

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к модулям газового пожаротушения (далее - МГП), использующим в качестве огнетушащего вещества сжиженные газы, находящиеся под избыточным давлением собственных паров или газа-вытеснителя.
Такой МГП типично представляет собой контейнер (баллон), содержащий сжиженное газовое огнетушащее вещество (далее - ГОТВ) под давлением, на котором установлено управляемое запорно-пусковое устройство для выпуска ГОТВ и, опционально, выпускные насадки для подачи ГОТВ в зону горения (1). Запорно-пусковое устройство, как правило, состоит из сифонной трубки для забора жидкости со дна баллона и обеспечения непрерывной подачи жидкой фазы ГОТВ по мере опустошения баллона, ведущей к управляемому клапану или разрывной мембране и далее выпускному отверстию для выпуска ГОТВ из баллона. Клапан или мембрана могут приводиться в действие внешним сигналом с помощью устройства пуска на базе электрического или пневматического привода или пиропатрона, или срабатывать при превышении давления в баллоне свыше порогового, возникающего при повышении температуры ГОТВ. Дополнительно модуль может снабжаться устройствами заполнения, контроля параметров (давления вытесняющего газа, уровня жидкости и т.д.), предохранительными клапанами, когда это необходимо для обеспечения эксплуатационных требований и соответствия установленным нормативам.
В частности, установлено, что запорно-пусковое устройство должно обеспечивать выпуск ГОТВ в установленном количестве за время не более 10 сек (2), что накладывает дополнительные требования на конструкцию баллона, давление вытесняющего газа, проходные сечения и местные гидравлические сопротивления сифонной трубки, клапана и выпускного отверстия.
Известен МГП в виде горизонтально расположенного цилиндрического баллона с пусковым устройством с сифонной трубкой и клапаном (3). Известен также МГП «Атака» производства ООО «Технос-М+» в виде горизонтально расположенного цилиндрического баллона, пусковое устройство которого также имеет загнутую вниз сифонную трубку, которая обеспечивает забор жидкости со дна баллона и выпуск не менее 95% жидкой фазы содержимого баллона (4).
В связи с большим удельным энергопотреблением современных электронных устройств и их высокой стоимостью актуальна проблема их пожарной защиты. Наиболее распространенным типом компоновки электронного оборудования является модульная, когда приборы плотно устанавливаются в шкаф стандартного габарита 19'' (482 мм) по ширине, и вертикальный размер каждого прибора кратен единице высоты  Для защиты таких шкафов МГП признаны наиболее эффективным решением, так как пригодны для тушения электрооборудования под напряжением и при срабатывании не повреждают работающее оборудование. Каждый такой шкаф может быть снабжен индивидуальными МГП, что дает максимальную гибкость использования и скорость срабатывания (5). Для установки в такой шкаф МГП также должен удовлетворять требованиям модульной компоновки, то есть иметь стандартные ширину (482 мм между крепежными отверстиями) и высоту (кратную единице высоты 44.45 мм).
Конструктивно и экономически выгодно размещение всего МГП в корпусе наименьшей стандартной высоты 1HU, минимально занимающего полезный объем шкафа. Так, известен МГП OneU, содержащий баллон прямоугольной формы и высоты, равной 1HU=44 мм, который содержит около 3 кг ГОТВ Новек 1230 (6), а примененные в нем конструктивные решения описаны в (7). В частности, ГОТВ в нем помещено в контейнер прямоугольной формы, интегрированный в корпус вместе с запорно-выпускным устройством и различными электронными и механическими узлами контроля и управления.
Примененное в модуле OneU решение имеет существенные недостатки. Контейнер прямоугольной формы с плоскими стенками не является оптимальным для хранения вещества под давлением, так как механическое напряжение в стенке сосуда составляет σ=p⋅r/s (8), стр. 884,
где р - давление в сосуде, r - радиус кривизны стенки сосуда, s - толщина стенки, и максимально в случае плоских стенок. Таким образом, наличие плоских стенок ограничивает допустимое давление в контейнере. В частности, в указанном МГП применяется только ГОТВ Новек 1230, давление насыщенного пара которого равно 0.4 бар при 25°С. Данное ГОТВ имеет очень высокую стоимость из-за сложности производства, а при нагреве может образовывать с водяным паром агрессивные фторсодержащие соединения. При возрастании температуры давление пара этого ГОТВ растет, достигая 1 бар уже при 49°С. Поэтому, в частности, рабочий диапазон температур устройства OneU ограничен 35°С, что недостаточно для эксплуатации в высоконагруженных шкафах с электронным оборудованием. С другой стороны, низкое рабочее давление не позволяет организовать быстрый выпуск ГОТВ из контейнера без дополнительных устройств, например, емкости с вытесняющим газом и своим управляемым клапаном, или, как предложено в (7), отдельного транспортирующего устройства, например, насоса. Применение же более доступных ГОТВ, таких, как HFC-227еа (давление насыщенного пара около 4 бар при 20°С и 39 бар при 100°С) или HFC-125 (12 бар при 20°С и 36 бар при 66°С) в устройстве OneU практически невозможно, так как плоские стенки контейнера должны иметь слишком большую толщину.
С другой стороны, невысокое давление насыщенного пара для популярного ГОТВ HFC-227еа при температурах ниже 20°С также приводит к сложности организации его быстрого выпуска из контейнера, особенно в модулях малых габаритов. Уменьшение конструктивной высоты модуля приводит также к уменьшению проходного диаметра и увеличению гидравлического сопротивления элементов запорно-пускового устройства. Так, уже в МГП-150 горизонтальной компоновки высотой 232 мм (4) проходной диаметр сифонной трубки запорно-пускового устройства составляет всего 15 мм, а гидравлическое сопротивление выпуска соответствует сопротивлению 11 м этой трубки. При этом обеспечение нормативного времени выпуска ГОТВ требует повышения давления в сосуде путем добавления вытесняющего газа. Добавление в баллон газа под высоким давлением приводит к необходимости дальнейшего утолщения стенок баллона, применения клапана запорно-пускового устройства, рассчитанного на более высокие рабочие давления и имеющего меньшее проходное сечение. Кроме того, добавление газа-вытеснителя приводит к усложнению процесса заправки модуля.
Ниже предложена конструкция МГП с габаритной высотой 1HU, устраняющая вышеописанные недостатки. Конструкция обеспечивает высокое допустимое давление газа, что позволит использовать различные ГОТВ и обеспечит максимальную рабочую температуру МГП до 60-70°С, достаточную для применения в наиболее теплонагруженных установках. При этом конструкция контейнера ГОТВ и запорно-пускового устройства обеспечивает большое проходное сечение выпускного тракта и минимальные местные гидравлические сопротивления его элементов. Благодаря этому в широком диапазоне рабочих давлений достигается нормативное время выпуска ГОТВ без добавления вытесняющего газа и без использования вспомогательных механизмов.
В предложенном модуле контейнер (баллон) имеет цилиндрическое сечение, конструктивно оптимальное для сосудов под давлением, и расположен горизонтально. Поскольку габаритная высота устройства не должна превышать 1HU=44.45 мм, наружный диаметр баллона не может превышать 44 мм. Баллон может быть выполнен из металла, полимерного или композитного материала в зависимости от потребного рабочего давления. Например, баллон может быть выполнен из тонкостенной трубы Dy32 42.4×2.5 ГОСТ 8732-78. При использовании нержавеющей стали максимально допустимое давление ГОТВ в баллоне может достигать 64 бар (ОСТ26-04-250-75), что позволяет применять, например, ГОТВ HFC-227ea или HFC-125 при температурах до 65°С.
Потребная длина баллона определяется количеством ГОТВ, которое необходимо для достижения тушащей концентрации в шкафах различных размеров. Оно может быть оценено по методике, приведенной в (5), и без учета остатка в баллоне и коэффициента заполнения составит ориентировочно:
С учетом коэффициентов заполнения и выпуска и уменьшения плотности жидкой фазы при нагреве необходимая длина баллона должна быть дополнительно увеличена в 1.2..1.5 раза.
Поскольку потребная длина баллона превышает продольный габарит модуля, баллон должен быть свернут в компактную форму, например, змеевидную в плане.
На фиг. 1 показан пример устройства МГП с таким баллоном. Баллон, содержащий ГОТВ, изготовлен зацело формовкой или соединением, например, сваркой, прямолинейных участков 1 и С-образных фитингов 2. На одной или нескольких концевых частях баллона устанавливается как минимум одно запорно-пусковое устройство 3 с габаритной высотой не более 44 мм. Место установки выбирается с учетом требований к удобству монтажа и минимизации гидравлического сопротивления выпуску ГОТВ. Дополнительно на концевых частях баллона опционально могут быть установлены вспомогательные узлы 4, например, измерители количества ГОТВ в баллоне, предохранительные клапаны, клапаны для заполнения баллона и т.д. Баллон потребной длины может также иметь гребенчатую форму, как на фиг. 2, образованную соединением прямолинейных участков трубы 1 и Т-образных фитингов 5, или решетчатую форму, как на фиг. 3.
Рабочее давление в зависимости от типа ГОТВ в баллоне и его температуры может находиться в диапазоне от 0,4 бар (Новек 1230, 25°) до 35 бар (HFC-125, 65°С) и выше, при этом во всем диапазоне рабочих температур время выпуска ГОТВ нормировано. При малых давлениях собственного пара быстрое вытеснение жидкой фазы ГОТВ требует обеспечения малого гидравлического сопротивления всех элементов выпускного тракта запорно-пускового устройства.
Использование сифонных трубок, предложенных, например, в (3), создало дополнительные потери давления в гидравлическом тракте и увеличило время выпуска, что потребовало от авторов (3) и (4) добавления в баллон вытесняющего газа под высоким давлением.
В предложенном МГП, как показано на фиг. 4, для обеспечения меньшего гидравлического сопротивления выпуску с целью уменьшения времени выпуска и отказа от использования вытесняющего газа в проходном сечении корпуса баллона 1 непосредственно перед входом в запорно-пусковое устройство 4 установлена сегментная диафрагма 6. Эта диафрагма выполняет функцию сифонного устройства, открывающего выпускной канал для жидкой фазы ГОТВ 7 в открытой нижней части проходного сечения 8.
Как вариант, для дальнейшего снижения местного гидравлического сопротивления этого участка гидравлического тракта диафрагма может быть выполнена в виде криволинейного тела обтекаемой формы 9, размещенного в просвете проходного сечения баллона, и открывающего выпускной канал в нижней части 8 этого сечения (фиг. 5).
В следующей таблице приведены приближенные величины местного гидравлического сопротивления этих вариантов исполнения входной части запорно-пускового устройства, смонтированных в цилиндрическом баллоне, описанном выше, оцененные согласно эмпирическим коэффициентам (9):
Использование запорно-пускового устройства с малым гидравлическим сопротивлением выпускного тракта позволяет, в частности, выбирать ГОТВ с низким давлением насыщенного пара, отказаться от добавления в баллон дополнительного вытесняющего газа, понизить рабочее давление баллона МГП, тем самым уменьшить потребную толщину стенок баллона, облегчить конструкцию управляемого клапана, упростить процесс заправки модуля, сократить время выпуска ГОТВ.
Литература
1. ГОСТ Р 53281-2009 «Установки газового пожаротушения автоматические. Модули и батареи. Общие технические требования. Методы испытаний». М.: Стандартинформ, 2009 г.
2. СП 5.13130.2009 Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования (с Изменением N 1). М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.
3. Модуль пожаротушения. RU 2461402 С1, 26.05.2011 г.
4. Комплекс технических средств газового пожаротушения «АТАКА». [В Интернете] 2017 г. http://www.technos-m.ru/new/docs/2017/catalog2017.pdf.
5. Рекомендации по противопожарной защите приборных шкафов в помещениях АЭС автономной установкой газового пожаротушения. М.: Концерн Росэнергоатом, 2006 г.
6. Системы активного пожаротушения ONEU. [В Интернете] https://minimax-russia.ru/products/gas_system.
7. Fire extinguishing system for a casing. US 8418774 B2 15 4 2013 г.
8. Мартене, Л.К., [ред.]. Техническая энциклопедия. М.: б.н., 1934. стр. 920. Т. 19.
9. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992.
10. Новые проектные решения для установок газового пожаротушения. Смирнов, Н.Н. 5, 2005 г., Алгоритм безопасности.