СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПОЖАРНОГО РОБОТА
METHOD AND DEVICE OF THERMAL PROTECTION OF FIRE ROBOT

Изобретение относится к области противопожарной техники и предназначено для создания тепловой защиты в области органов управления пожарного робота с целью отражения и поглощения лучистой энергии, возникающей вблизи очага пожара.
Известно, что пожарные роботы (манипуляторы) предназначены для тушения пожаров в труднодоступных местах, где пребывание человека крайне опасно, например в местах, где возможны взрывы, обрушение конструкций и т.п. Одновременно с тушением роботы производят некоторые аварийно-спасательные работы: они могут расчищать завалы, проходы для доступа спасателей к очагу возгорания и другие пути эвакуации людей и техники, попавших в зону чрезвычайных ситуаций.
Пожарные роботы являются механизмами, которые имеют сложные узлы управления и агрегаты, в том числе электронику и программное обеспечение. В случае аномального развития пожара, например при взрыве баллонов с пропаном, кислородом и т.д. резко возрастает температура окружающей среды, в которой находится пожарный робот. В связи с этим возрастает вероятность поражения жизненно важных органов управления пожарного робота, в результате чего они могут выйти из строя, а сам пожарный робот, являющийся уникальным и дорогим изделием, может погибнуть, например, в месте тушения пожара без последующего восстановления. Поэтому возникает необходимость в создании дополнительной тепловой защите в зоне жизненно важных органов управления пожарного робота.
Известен способ создания противопожарной завесы, включающий установку сетчатого экрана и подачу на него защитной охлаждающей завесы со стороны, обратной направлению теплового потока (заявка Великобритании № 2266051, кл. А62С 2/00, опубл. 20.10.1993).
Однако в рассматриваемом случае защитная охлаждающая завеса подается на сетчатый экран в виде капельного потока, что приводит к динамическому взаимодействию последнего с сетчатым покрытием. В результате чего возникают разрывы образующегося пленочного потока и неравномерное заполнение ячеек сетчатого покрытия. Кроме этого основной принцип создания этой противопожарной завесы основан на формировании паровой завесы, а не на отражении инфракрасного излучения искривленной поверхностью пленки, получающейся в результате заполнения охлаждающим агентом ячеек сетчатого покрытия.
Известен способ создания противопожарной завесы, включающий установку экрана и подачу вдоль него защитной завесы в виде пленочного потока из насадка, смонтированного над экраном (заявка РФ № 99114862 от 07.07.1999 г., кл. A62C 2/08, опубл. 27.09.2000, БИ № 27), принятый за прототип заявляемого способа и устройства.
Принцип действия этого способа основан на применении волновых течений тонких слоев вязкой жидкости, которые возникают при подаче охлаждающего агента (для воды -25<Re<75). Применение этого явления в создании противопожарной завесы позволяет получить сплошной пленочный поток без разрывов при малых расходах охлаждающего агента, а создание поверхностных волн приводит к дополнительному искривлению поверхности пленочного потока на сетчатом экране и соответственно к более интенсивному отражению инфракрасного излучения.
Однако применение этих способа при тепловой защите пожарных роботов ограничено по следующим причинам.
Во-первых, количество воды, необходимое для подачи охлаждающего агента из автономного источника питания, смонтированного на пожарном роботе, должно быть минимальным.
Следует отметить, что технические возможности самого робота не позволяют возить на себе или за собой, например, на тележке в течение, например, часа дополнительный бак емкостью более 250-300 л, заполненный полностью водой. Это приводит, в конечном счете, к снижению маневренности самого пожарного робота и к резкому повышению потребления электроэнергии.
Во-вторых, данное техническое решение основано на создании поверхностных волн при движении пленочного потока на сетчатом экране при малых расходах охлаждающего агента, и не решает в полной мере вопрос потери воды, связанный с ее растекаемостью по поверхности экрана.
В-третьих, применение этого технического решения не позволяет вовлекать неоднократно охлаждающий агент, который стек с поверхности экрана и, в конечном счете, не используется в дальнейшем по прямому назначению.
В-четвертых, принцип действия противопожарной завесы основан только на непрерывной подаче охлаждающего агента. Указанный способ не предусматривает никаких дальнейших эффективных мер по защите охраняемого объекта при пожаре, например, в случае прекращения подачи охлаждающего агента или при аномальном развитии пожара и появления участков экрана без защитной завесы (например, при значительном динамическом воздействии на средство подачи на экран охлаждающего агента при взрыве, в результате чего вектор подачи пленочного потока резко изменяет направление).
Заявляемые способ и устройство тепловой защиты пожарных роботов устраняет указанные недостатки.
Для этого в способе тепловой защиты пожарного робота, включающем установку сетчатого экрана и подачу вдоль него защитной завесы в виде пленочного потока охлаждающего агента из насадка, смонтированного над экраном, экран устанавливают только над зоной жизненно важных органов управления пожарного робота, поверхность экрана покрывают с наружной стороны черной краской, а с внутренней стороны - вспенивающейся огнезащитной краской, причем перед подачей охлаждающего агента из автономного питателя в него вводят загуститель, а после его подачи производят сбор стекающего с экрана охлаждающего агента для последующего использования его после очистки в автономном питателе, при этом в случае аномального развития пожара и появления локальных зон на полотне экрана или на всей площади полотна экрана без защитной завесы, полотно экрана в локальных зонах и (или) полностью по всей площади нагревают с наружной стороны с образованием сплошного вспененного теплоизолирующего слоя с внутренней стороны экрана в зонах его интенсивного нагрева, а после использования всего запаса охлаждающего агента в автономном питателе его сбрасывают в месте, не мешающем беспрепятственному движению пожарного робота.
В устройстве тепловой защиты пожарного робота, содержащем экран, выполненный в виде каркаса, на который натянуто полотно, и средство подачи на экран охлаждающего агента, устройство дополнительно содержит средство смешения охлаждающего агента с загустителем, выполненное в виде баллона, соединенного через клапан с автономным питателем, и замкнутую систему для повторного использования охлаждающего агента, включающую в себя смонтированный по периметру каркаса желоб для сбора стекающего с экрана охлаждающего агента и систему трубопроводов для последующей подачи последнего через систему фильтров в автономный питатель, а площадка под автономный питатель выполнена откидной с возможностью осевого поворота в сторону, противоположную основному направлению движения пожарного робота.
Технический эффект, реализуемый заявляемым способом, обуславливается следующим.
Установка экрана только над зоной жизненно важных органов управления пожарного робота позволяет создать эффективную тепловую защиту этой зоны при минимальном увеличении габаритных размеров и веса этого устройства.
Покрытие поверхности полотна экрана с наружной стороны черной краской, а с внутренней стороны - вспенивающейся огнезащитной краской позволяет получить при аномальном развитии пожара и появлении участков экрана без защитной завесы (например, при значительном динамическом воздействии при взрыве на средство подачи на экран охлаждающего агента, когда вектор подачи пленочного потока резко изменяет направление), или после использования всего запаса охлаждающего агента, следующее:
- при отсутствии охлаждающего действия защитной завесы осуществить интенсивный нагрев наружной стороны темной поверхности участков полотна экрана в локальных зонах и (или) полностью на всей площади полотна экрана, имеющего сетчатую структура;
- последующий самопроизвольный «запуск» химических реакций и физических процессов, приводящих к образованию сплошного вспененного теплоизолирующего слоя (кокса, твердеющего плава) с внутренней стороны полотна экрана;
- дополнительную эффективную тепловую защиту этих зон при минимальном увеличении габаритных размеров и веса этого устройства.
Кроме этого, образующийся с внутренней стороны экрана в зонах его интенсивного нагрева вспененный теплоизолирующий слой, проникая беспрепятственно через ячейки сетчатого полотна, образует при его «затекании» с наружной стороны полотна в случае достаточного количества вспененного продукта сплошной дополнительный вспененный теплоизолирующий слой.
До аномального развития пожара указанное покрытие поверхности полотна экрана работает в режиме его обтекания пленочным потоком охлаждающего агента.
Введение загустителя в охлаждающий агент перед его подачей из автономного питателя позволяет повысить вязкость указанного охлаждающего агента, уменьшить его растекаемость по поверхности полотна экрана, а главное повысить отражающую способность сплошного пленочного потока при малых расходах охлаждающего агента за счет дополнительного искривления поверхности пленочного потока. Дополнительное искривление поверхности пленочного потока происходит после заполнения охлаждающим агентом ячеек сетчатого экрана за счет увеличения его вязкости, с образованием в каждой ячейке за счет пленочного потока миниатюрных вогнутых линз. Аналогичные явления по искривлению поверхности возникают при образовании мениска в капиллярной трубке и наблюдаются при совместном действии молекулярных сил (поверхностного натяжения и смачивания) и внешних сил (силы тяжести), вызывающих искривление жидких поверхностей раздела, называемые капиллярными явлениями (Большая энциклопедия. Словарь. Физика. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», М.:- 1998, с.696).
Конечно введение загустителя в охлаждающий агент снижает эффект создания поверхностных волн при его движении на сетчатом экране при малых расходах охлаждающего агента, при которых наблюдается, как было отмечено ранее, дополнительное искривление поверхности пленочного потока. Поэтому в заявляемом способе был выбран другой способ дополнительного искривления поверхности пленочного потока путем введения загустителя в охлаждающий агент, что, в конечном счете, также приводит к более интенсивному отражению инфракрасного излучения, исходящего от очага пожара.
Известно, что потери воды, связанные с растекаемостью, можно уменьшить повышением ее вязкости (А.Н.Баратов, Е.Н.Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е переработанное. М., Химия,. 1979, с.71).
В работе (И.М.Абдурагимов. Журн. ВХО им. Д.И.Менделеева, 1976, т.4, с.18) сообщается о хороших перспективах использования в качестве загустителей некоторых высокомолекулярных соединений типа сополимеров акриловых кислот и сшивающих веществ. Эти соединения, названные «карбонолами», обладают уникальными свойствами, обеспечивающими повышение вязкости воды на несколько порядков при незначительной добавке. Причем отрицательное влияние температуры на действие этих загустителей не столь заметно. При введении в воду некоторых загустителей, полученных путем сополимеризации акриловой кислоты и гексааллилсахарозы было отмечено, что при движении по трубам этого раствора со скоростью 5-10 м/с их вязкость не столь велика, но резко возрастает в свободном состоянии на поверхности твердых горючих материалов.
Отсюда следует, что применение такого типа загустителей в заявляемой замкнутой системе для повторного использования охлаждающего агента позволяет создать эффективную тепловую защиту в области органов управления пожарного робота с целью отражения и поглощения лучистой энергии, возникающей вблизи очага пожара.
Сбор стекающего с экрана охлаждающего агента для последующего использования его после очистки в автономном питателе позволяет снизить запас охлаждающего агента, а следовательно, габаритные размеры и вес автономного питателя, что существенно скажется на продолжительности работы пожарного робота в экстремальных условиях.
Сбрасывание после использования всего запаса охлаждающего агента автономного питателя в месте, не мешающем беспрепятственному движению пожарного робота, позволяет снизить вес пожарного робота и повысить его маневренность, а также уменьшить потребление электроэнергии при эвакуации из опасной зоны в конце работы пожарного робота, когда запас электроэнергии в аккумуляторных батареях иссякает.
Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством, обуславливается следующим.
Введение в конструкцию устройства пожарного робота средства смешения охлаждающего агента с загустителем, выполненного в виде баллона, соединенного через клапан с автономным питателем, позволяет получить по ходу движения пожарного робота охлаждающий агент, обладающий минимальной растекаемостью по полотну экрана. Это позволяет повысить коэффициент полезного использования охлаждающего агента, что, в конечном счете, продлевает время нахождения пожарного робота в зоне чрезвычайной ситуации.
Введение в конструкцию устройства пожарного робота дополнительной замкнутой системы для повторного использования охлаждающего агента позволяет минимизировать его потери, связанные с эффектом «растекания с поверхности полотна экрана».
Использование площадки под автономный питатель, выполненной откидной с возможностью осевого поворота в сторону, противоположную основному направлению движения пожарного робота, позволяет многократно использовать автономный питатель при очередной работе пожарного робота в зоне чрезвычайной ситуации.
Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».
При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники, в частности известные способы и устройства, относящиеся к противопожарной технике и предназначенные для защиты роботов при пожаре, а также способы и устройства, предназначенные для отражения и поглощения лучистой энергии, возникающей вблизи очага пожара.
Известен противопожарный робот (заявка РФ № 2003138037/12 от 29.12.2003 г., кл. A62C 3/02, B25J 18/00, опубл. 10.06.2005, БИ № 16 (I ч.).
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что противопожарный робот содержит подвижную платформу с огнетушителем и манипулятор. Особенностью заявляемого устройства является то, что манипулятор выполнен в виде двухшарнирного узла с взаимно перпендикулярными и непересекающимися осями подвижности, при этом ось подвижности связанного с платформой шарнира параллельна опорной плоскости робота, а на втором шарнире закреплен раструб огнетушителя, а на платформе размещены дополнительные огнетушители, направленные на основные узлы и элементы робота.
При возникновении загорания в зоне жизненно важных органов управления пожарного робота производится его тушение из дополнительных огнетушителей. Однако указанные огнетушители имеют одноразовый принцип действия, что резко ограничивает дальнейшее использование пожарного робота в труднодоступном месте тушения пожара после срабатывания дополнительных огнетушителей.
Известен способ тушения и противопожарной защиты в резервуарах (патент РФ № 2246976, кл. A62C 3/06, опубл. 27.02.2005, БИ № 6 (III ч.), в котором предусмотрено снижение поступления газов и тепловых потоков из зоны горения с помощью сеток или сеточных пакетов, обработанных вспенивающимися огнезащитными красками.
Сетки или сеточные пакеты в дежурном режиме расположены внутри жидкости.
При пожаре жидкость сливается из резервуара в аварийную емкость, а сами сетки или сеточные пакеты располагают на определенной высоте относительно уровня жидкости. В результате чего сетки или сеточные пакеты нагреваются и происходит самопроизвольный «запуск» химических реакций и физических процессов, приводящих к образованию сплошного вспененного теплоизолирующего слоя.
Однако конструкция сеток или сетчатых пакетов не предусматривает ускорение нагрева огнезащитных красок, а сами краски наносятся на сетки или сеточные пакеты со всех сторон.
Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом и устройством.
На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.
На фиг.1 изображен общий вид устройства, реализующего заявляемый способ (в дежурном режиме), на фиг.2 - то же в момент подачи защитной завесы охлаждающего агента с загустителем в виде пленочного потока на полотно экрана из автономного питателя; на фиг.3 - увеличенный вид фрагмента полотна экрана (в разрезе) в момент обтекания его пленочным потоком охлаждающего агента с загустителем и образования дополнительного искривления поверхности пленочного потока за счет увеличения его вязкости; на фиг.4 - увеличенный вид фрагмента полотна экрана (в разрезе) в момент образования сплошного вспененного теплоизолирующего слоя с внутренней стороны полотна экрана; на фиг.5 - общий вид устройства, реализующего заявляемый способ после использования всего запаса охлаждающего агента в автономном питателе и его сброса в месте, не мешающем беспрепятственному движению пожарного робота.
Устройство (Фиг.1), реализующее заявляемый способ, состоит из экрана 1, изготовленного в виде куполообразного каркаса, на который натянуто полотно 2 в виде ячеистой металлической сетки, и средство подачи на экран охлаждающего агента 3, включающего в себя следующие элементы: автономный питатель 4, питающий трубопровод 5, на конце которого смонтирован насадок 6 для подачи на экран 1 охлаждающего агента 3.
Устройство дополнительно содержит замкнутую систему для повторного использования охлаждающего агента 3, включающую в себя смонтированный по периметру каркаса желоб 7 для сбора стекающего с экрана охлаждающего агента 3 и систему трубопроводов 8 для последующей подачи последнего через систему фильтров 9 в автономный питатель 4.
Экран 1 установлен над зоной 10 жизненно важных органов управления пожарного робота 11. Полотно 2 экрана 1, выполненное в виде ячеистой металлической сетки (Фиг.4.), покрытой с наружной стороны 24, обращенной к очагу пожара черной краской, а с внутренней стороны 25, обращенной к зоне 10 жизненно важных органов управления пожарного робота 11, - вспенивающейся огнезащитной краской.
Автономный питатель 4 установлен на откидной площадке 12 (Фиг.2) и закреплен при транспортировке жестко четырьмя равномерно расположенными по периметру фланца 13 дна 14 питателя 4 прижимами 15.
Откидная площадка 12 жестко зафиксирована в горизонтальном положении упором 16 с помощью шарикового замка 17, а сам упор 16 закреплен шарнирно на корпусе 18 пожарного робота 11.
На питателе 4 (Фиг.1) смонтирован баллон 19, в который заключен загуститель 20 охлаждающего агента 3. Баллон 19 соединен через клапан 21 с питателем 4.
Устройство работает следующим образом. При возникновении чрезвычайной ситуации подается команда на запуск двигателя пожарного робота 11. После начала движения открывается клапан 21 по команде оператора и загуститель 20 попадет в питатель 4, где во время движения он перемешивается с охлаждающим агентом 3. Тем самым снижается в дальнейшем растекаемость по полотну 2 сетчатого экрана 1 охлаждающего агента 3 за счет увеличения его вязкости. При подъезде пожарного робота 11 к зоне пожара производится подача из питателя 4 по трубопроводу 5 охлаждающего агента 3 (смешанного с загустителем 20) к насадку 6 и создается вдоль экрана 1 защитная завеса в виде пленочного потока 22, который растекается равномерно по всей площади полотна 2 (Фиг.2). После этого происходит заполнение охлаждающим агентом 3 (смешанным с загустителем 20) ячеек полотна 2 сетчатого экрана 1. При этом в каждой ячейке образуется за счет капиллярных явлений мениск 23 (Фиг.3). В результате происходит дополнительное искривление поверхности пленочного потока за счет увеличения вязкости охлаждающего агента 3. Это приводит к более интенсивному отражению инфракрасного излучения.
Сбор стекающего с полотна 2 экрана 1 охлаждающего агента 3 производится в желоб 7, после чего он проходит очистку через систему фильтров 9 и затем по системе трубопроводов 8 поступает в автономный питатель 4. Этим существенно снижаются потери охлаждающего агента 3 во время работы пожарного робота 11 в опасной зоне.
После использования всего запаса охлаждающего агента производится сбрасывание автономного питателя в месте, не мешающем беспрепятственному движению пожарного робота 11. (Фиг.5). Это происходит после того, как прижимы 15 освободят фланец 13 питателя 4 от жесткой фиксации, затем запускается шариковый замок 17, после чего упор 16 выходит из зацепления со штоком шарикового замка 17 и откидная площадка 12 опрокидывается вниз.
В результате этого взаимодействия названных элементов конструкции заявляемого устройства питатель 4 освобождается от трубопроводов 5 и 8 и сбрасывается с откидной площадки 12 на землю. Это позволяет снизить вес пожарного робота 11 и повысить его маневренность, а также уменьшить потребление электроэнергии при эвакуации из опасной зоны в конце работы пожарного робота, когда запас электроэнергии в аккумуляторных батареях иссякает. После ликвидации пожара и проведения профилактических мероприятий питатель 4 может неоднократно использоваться на пожарном роботе 11.
В случае аномального развития пожара на поверхности полотна 2 экрана 1 образуются локальные зоны без защитного пленочного потока 22. То же самое происходит после использования всего запаса охлаждающего агента 3, когда остатки пленочного потока охлаждающего агента 3, находящиеся в ячейках полотна 2 сетчатого экрана 1, испаряются. В дальнейшем происходит интенсивный нагрев наружной стороны 24 полотна 2 (обработанной черной краской) в локальных зонах или всего полотна по всей площади указанного полотна 2 сетчатого экрана 1. В результате этого взаимодействия осуществляется самопроизвольный «запуск» химических реакций и физических процессов, приводящих к образованию сплошного вспененного теплоизолирующего слоя 26 (кокса, твердеющего плава) с внутренней стороны 25 полотна 2 экрана 1. Кроме того, образующийся с внутренней стороны 25 полотна 2 экрана 1 в зонах его интенсивного нагрева вспененный теплоизолирующий слой, проникая через ячейки сетчатого полотна, также образует при его «затекании» с наружной стороны полотна 2 (при достаточном количестве вспененного продукта) дополнительный вспененный теплоизолирующий слой 27.
Предлагаемое техническое решение представляет собой эффективную постоянно действующую автономную систему тепловой защиты пожарного робота в экстремальных условиях, что позволяет значительно продлить время пребывания этого устройства в условиях аномального развития пожара и повысить его «живучесть» при возникновении чрезвычайной ситуации.