Способ взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезёма и устройство для его осуществления
METHOD OF EXPLOSION PREVENTION AND FIRE EXTINGUISHING BY SOLID SILICA GEL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
2
Изобретение относится к технике пожаротушения, а именно к технологиям и устройствам для взрывопожаропредотвращения и тушения пожара в виде быстротвердеющей неорганической пены на основе вспененного геля кремнезема SiO и может быть использовано для взрывопожаропредотвращения в начальной стадии возникновения аварийных ситуаций в закрытых помещениях и на открытых площадках и при тушении пожаров горючих материалов.
Уровень техники
Известно, что вода является наиболее широко применяемым огнетушащим средством тушения пожаров [А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Химия, 1979, с. 64-72].
Для повышения огнетушащей способности воды в ее состав, как правило, вводят органические добавки, повышающие вязкость воды (загустители) или снижающие ее поверхностное натяжение (пенообразователи) [SU 797707, A62D 1/00, 1981], или вводят добавки неорганических солей - хлоридов, карбонатов и бикарбонатов щелочных металлов, глины и других тонкодисперсных веществ, повышающих огнетушащую способность воды.
Известна, в частности, минерально-водяная суспензия для тушения пожара [RU 2098158, A62D 1/00, А62С 3/00, 10.12.1997], которая для повышения адгезионных и изолирующих свойств минерально-водяного состава содержит, мас. %: 7-16 жидкого стекла, 13-72 глины и 20-80 воды. Полученную суспензию применяют путем распыления различными существующими способами (с помощью насосов, разливом с самолетов или вертолетов). Наиболее эффективными являются способы диспергирования с использованием энергии взрыва или аккумуляторов давления (воздушных, пороховых и т.п.), т.к. позволяют диспергировать состав до капель диаметром менее 10 мкм, значительно увеличивая этим поверхность взаимодействия с пламенем.
Основным недостатком подобных составов является многокомпонентность, сложность приготовления и возможность расслоения при хранении, а также выделение ядовитых продуктов горения при разложении органических компонентов состава.
Известно огнетушащее средство для тушения нефти и нефтепродуктов [RU 2263525, A62D 1/00, 10.11.2005], которое для повышения эффективности, дешевизны и удобства в применении содержит тушащий состав, нанесенный на гранулы из огнеупорного пористого материала диаметром 10-50 мм с рабочим слоем толщиной 1-5 мм. Тушащий состав содержит бикарбонат кальция в количестве 0,2-0,8 вес. ч., жидкое стекло в количестве 0,2-0,8 вес. ч. и 0,1-0,3 вес. ч. ингибирующей добавки.
Известен состав [DE 10054686, 06.06.2002], содержащий более 50% жидкого стекла, преимущественно 90-98% с модулем жидкого стекла в пределах 1-4. Эффективность действия такого состава обеспечивается способностью жидкого стекла образовывать на поверхности горения термостойкую изолирующую пленку, предотвращающую доступ кислорода воздуха к поверхности горения.
Основным недостатком данного состава является его высокая вязкость, в связи с чем данный огнетушащий состав наносится на поверхность горения из аэрозольных упаковок с помощью транспортирующих газов - азота, диоксида углерода или пенообразующих средств, а также с помощью других приспособлений.
Для более эффективного использования жидкого стекла в качестве тушащего состава необходимо снижать его вязкость путем введения в состав воды. По отношению к воде жидкое стекло является загустителем, а по отношению к жидкому стеклу вода является разжижителем.
Известен состав для тушения лесных пожаров малым количеством воды [RU 2449825, A62D 1/00, 10.05.2012], содержащий воду и тонкоизмельченную шихту легкоплавкого стекла в концентрации 0,0001-10% в виде раствора или взвеси. При расплавлении под действием пожара компоненты образуют стеклянную пленку на поверхности горящего объекта и препятствуют доступу кислорода.
Известен водный раствор для тушения пожаров [RU 2275951, A62D 1/00, 10.05.2006], который для целей обеспечения необходимого уровня вязкости и достижения значительного снижения температуры в зоне горения, высоких значений температуростойкости и изолирующей способности состава за счет испарения свободной воды и термического вспенивания жидкого стекла, содержит воду в количестве 50-95 мас. % и в качестве загущающей добавки жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 в количестве 5-50 мас. %.
Дополнительно данный состав может содержать высокомолекулярное поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде смеси поливиниловый спирт-толуол-вода с поверхностным натяжением менее 30 мН/м из расчета 0,001-0,1 кг ПАВ на один кубический метр воды в растворе.
Присутствие ПАВ в данном составе раствора улучшает его диспергирование при набрызгивании и закреплении на поверхности горения. После тушения предлагаемым составом поверхность объектов горения в результате термического вспенивания или по своей физической сути вскипания в результате интенсивного нагрева набрызганного слоя раствора покрывается слоем твердой неорганической пены толщиной 2,5-5,5 см, и этот слой, выполняя роль своеобразного фильтра, обеспечивает меньшее остаточное выделение дыма с поверхности горения.
Как это указано в описании RU 2275951 тушение пожара данным составом осуществляется по следующему механизму: При подлете струи раствора жидкого стекла к поверхности горения, под действием высокой температуры происходит нагрев раствора и снижется его вязкость, что способствует лучшему растеканию раствора на поверхности горения.
При испарении воды из раствора на поверхности горения увеличивается концентрация жидкого стекла, значительно повышается его вязкость и при полном испарении воды из состава раствора на поверхности горения остается пленка жидкого стекла, обладающая свойством непрерывности.
-3
3
Увеличение смачиваемости раствором поверхности горения и повышение степени диспергирования струи достигается за счет введения в состав высокомолекулярного поверхностно-активного вещества (ПАВ) с поверхностным натяжением менее 30⋅10 Н/м, например, на основе поливинилового спирта, толуола и воды в количестве 0,001-0,1 кг/м воды в растворе.
3
Образовавшаяся после испарения свободной воды на поверхности горения пленка жидкого стекла при температуре 120-200°С теряет молекулярную воду и приобретает твердообразное состояние. В интервале температур 200-400°С из твердообразного жидкого стекла начинает удаляться химически связанная вода, под действием которой корочка жидкого стекла приобретает пиропластическое состояние, а выделяющиеся пары воды, вследствие резкого увеличения своего объема, вспенивают эту корочку и ее объем увеличивается в 10-50 раз. Плотность образовавшегося на поверхности горения слоя пены составляет 30-50 кг/м и этот слой блокирует доступ кислорода воздуха к поверхности горения.
Образовавшийся слой пены не подвержен горению, так как по своему составу является неорганическим веществом - безводным силикатом щелочного металла, обладает низким коэффициентом теплопроводности (0,03-0,036 Вт/м⋅К) и предотвращает прогрев затушенной поверхности до температуры возгорания за счет резкого снижения интенсивности воздействия теплового потока, образующегося при излучении пламени и конвективного тепла дымовых газов.
Недостатками RU 2275951 является практическая невозможность равномерного разбрызгивания и практическая невозможность обеспечения контролируемого термического вспенивания раствора жидкого стекла на практически всегда неровных и изменяющихся в процессе горения поверхностях горящих материалах и, соответственно, невозможность получения заданной толщины твердой пены определенной структуры, а также необходимость наличия высокой температуры для термического вспенивания, а именно необходимость наличия температуры 120-200°С для испарения молекулярной воды и приобретения твердообразного состояния и необходимость наличия температуры 200-400°С для удаления из твердообразного жидкого стекла химически связанной воды, под действием которой корочка жидкого стекла приобретает пиропластическое состояние, и последующего интенсивного выделения паров воды (вскипания) для вспенивания этой корочки.
Известно применение распыленной воды в качестве огнетушащего средства, однако распыленная вода обладает сравнительно невысокой огнетушащей эффективностью, а генерирующие ее устройства требуют подключения к напорным водопроводам.
Известно применение воздушно-механической пены низкой и средней кратности, обладающей повышенной по сравнению с распыленной водой огнетушащей эффективностью, однако большинство известных водо-пенных генераторов и огнетушителей обеспечивают получение жидкой воздушно-механической пены на основе водного раствора пенообразователя и воздуха или газа, которая быстро оседает и не удерживается на вертикальных и наклонных поверхностях, что существенно снижает эффективность и увеличивает время пожаротушения.
Известен огнетушитель, содержащий емкость с огнетушащей жидкостью, систему вытеснения жидкости из емкости, запорно-пусковое устройство, распылитель жидкости с центробежным завихрителем потока и выходным соплом, и трубопровод, соединяющий выход запорно-пускового устройства с распылителем жидкости, в котором, для повышения эффективности тушения очагов возгорания, в первую очередь, классов "А" и "В" путем генерации высокоскоростной распыленной струи огнетушащей жидкости с заданным углом распыла, выходное сопло распылителя жидкости выполнено с профилированным каналом, включающим сужающийся в направлении течения жидкости участок, при этом центробежный завихритель выполнен в виде полой вставки, по меньшей мере, с одним тангенциально направленным входным каналом, образованным в боковой стенке вставки, и входным осевым каналом, причем полость вставки сообщена с входным отверстием профилированного сопла [RU 43465 А62С 13/62, А62С 31/02, опубл. 27.01.2005].
Известен огнетушитель, содержащий емкость, заполненную жидким огнетушащим веществом, источник вытесняющего газа, запорно-пусковое устройство, распылитель жидкости, соединенный через трубопровод с выходом запорно-пускового устройства, при этом распылитель жидкости выполнен с возможностью генерации направленной тонкораспыленной струи огнетушащего вещества, в котором, для обеспечения возможности эффективного тушения очагов пожаров классов А и В и электрооборудования, находящегося под высоким напряжением, и длительного хранения и эксплуатации огнетушителя в условиях отрицательных температур, в качестве жидкого огнетушащего вещества использована смесь водного раствора соли, выбранной из следующего ряда веществ: диаммонийфосфат, хлорид магния, хлорид кальция, хлорид лития, и пленкообразующего пенообразователя, причем содержание соли в огнетушащем веществе составляет не менее 10 мас. %, содержание пленкообразующего пенообразователя в огнетушащем веществе составляет не менее 5 мас. %. При этом в качестве источника вытесняющего газа использован сжатый газ, заполняющий газовую полость в емкости над поверхностью жидкого огнетушащего вещества, а распылитель жидкости снабжен струйно-центробежным завихрителем потока жидкости и выходным соплом и выполнен с профилированным каналом, включающим входной участок цилиндрической формы и выходной участок в форме конического диффузора, при этом входное отверстие выходного участка сопряжено с выходным отверстием цилиндрического участка [RU 82562 А62С 13/62, А62С 31/02, опубл. 10.05.2009].
Известен переносной огнетушитель, содержащий резервуар с огнетушащим веществом, корпус пусковой головки, установленный на резервуаре с огнетушащим веществом, подпружиненный шток с коническим выступом, размещенный в продольном канале, выполненном в корпусе пусковой головки, который имеет первое радиальное отверстие, установленный на корпусе пусковой головки баллон для сжатого газа с герметизирующей мембраной, обращенной к коническому выступу штока, сифонную трубку, выходной штуцер и средство для перемещения штока, эластичную прокладку, установленную на штоке, при этом продольный канал имеет две полости, разделенные одна от другой герметизирующим элементом, установленным на штоке, первая полость сообщается с выходным отверстием баллона для сжатого газа и посредством первого радиального отверстия - с полостью резервуара с огнетушащим веществом, вторая полость сообщается с помощью второго радиального отверстия с сифонной трубкой, и с помощью третьего радиального отверстия - с выходным штуцером, в котором, для исключения вытекания огнетушащего вещества в период хранения и транспортировки с сохранением возможности кратковременного прекращения его работы, во второй полости на штоке установлены цилиндрическая пружина и шайба, эластичная прокладка расположена на нижней поверхности шайбы, цилиндрическая пружина расположена между шайбой и верхней стенкой второй полости, а длина цилиндрической пружины в осевом направлении в свободном состоянии превышает расстояние от шайбы до верхней стенки второй полости [RU 8896 А62С 13/00, опубл. 16.01.1999].
Известно устройств для получения твердеющей пены из композиции низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ, обеспечивающее увеличение производительности пеногенерации, непрерывную работу без остановок для перезарядки емкостей рабочими растворами, которое содержит цилиндрический корпус, патрубки для подачи жидкости и газа и расположенный соосно корпусу рассеиватель газожидкостного потока, при этом патрубки для подачи водного раствора поверхностно-активного вещества и карбамидно-формальдегидной смолы смещены относительно оси корпуса и смесителя на расстояние, составляющее 5-15% внутреннего диаметра патрубка [RU 2226123 B01F 3/04, B01F 5/04, опубл. 27.03.2004].
Устройство по RU 2226123 может быть использовано для создания защитных пенных экранов с целью предотвращения испарений нефти и нефтепродуктов при аварийных проливах и в технологии переработки полимеров в пористые или ячеистые изделия различного назначения, но по причине горючести получаемой твердой пены неприменимо в области пожаротушения.
3
4
10
2
2
Известен огнетушитель, имеющий по меньшей мере одну емкость со средством тушения огня, выполнен с возможностью выводить данное средство, если идентифицировано реальное или потенциальное возгорание. Средство тушения огня представляет собой стабильную водную суспензию тонкодисперсного вспученного вермикулита (природного минерала с химической формулой (Mg, Fe, Аl)(Аl, Si)O(OH)4HO). Способ тушения огня осуществляется путем подачи данного средства тушения огня на пламя, прилегающие к нему зоны, а также зоны высокого риска распространения огня. Используемый огнетушитель может быть изготовлен путем по меньшей мере частичного заполнения емкости, адаптированной для выведения средства тушения огня. Средство обладает улучшенным ограничивающим воздействием и формированием изолирующего барьера за счет образования на поверхности слоя, барьерного по отношению к кислороду и теплу, может быть применено для тушения огня на человеке и животном. Желательно, чтобы количество вермикулита составляло 3-40 мас. %, более предпочтительно 10-30 мас. %, а особо желательно - 15-25 мас. %, например, примерно 20 мас. %. Предпочтителен очень тонкодисперсный вермикулит с размером частиц в интервале от нанометров до 1000 мкм, причем желательно, чтобы этот размер не превышал 300 мкм [RU 2635613 A62D 1/00, А62С 3/00, С09K 21/02 Опубл. 14.11.2017].
Недостатком RU 2635613 является возможность использования огнетушащего вещества только в виде водной тонкодисперсной суспензии и невозможность формирования на ее основе пены.
Известны химические пенные огнетушители, генерирующие химическую пену, получаемую в результате резкого вспенивания щелочного раствора (обычно - водного раствора соды) при добавлении в него кислоты (обычно - серной или соляной).
Известен огнетушитель для образования и подачи химической пены, содержащий корпус, заполненный щелочным раствором, спрыск, расположенный в верхней части корпуса, крышку и баллон с кислотой, закрытый пробкой со штоком, при этом баллон снабжен поплавком, в котором, для равномерного распределения заряда кислоты в корпусе огнетушителя, поплавок выполнен в виде кольцевой камеры и установлен концентрично корпусу баллона в его нижней части [RU 26191 А62С 13/04, опубл. 20.11.2002].
Известен химический пенный огнетушитель, содержащий сосуд с крышкой, заполненный щелочным раствором, спрыск, расположенный в верхней части сосуда, баллон с кислотой, днище которого выполнено в виде мембраны, приводной шток и установленную в сосуде заборную трубку, один конец которой соединен со спрыском, а другой обращен к днищу сосуда, в котором, для повышения эксплуатационных свойств и быстродействия срабатывания, приводной шток снабжен поршнем, размещенным в полости баллона, а в стенке баллона выполнено сквозное отверстие, расположенное выше поршня части [RU 26192 А62С 13/04, опубл. 20.11.2002].
3
2
4
4
Известен химический воздушно-пенный огнетушитель, содержащий стальной корпус, заполненный 9 л водно-щелочного раствора в виде смеси бикарбоната натрия NaHCO и солодкового экстракта, и полиэтиленовую емкость, заправленную кислотной смесью в виде серной кислоты HSO и сульфида железа FeSO, повышающей объем и прочность образующейся пены, при этом, для повышения эффективности защиты пожаров путем увеличения быстродействия и надежности срабатывания, полиэтиленовая емкость жестко соединена с седлом клапана, закрепленного в нижней части стакана, жестко соединенного с крышкой стального корпуса, к верхней части которого прикреплена ручка для работы в режиме эксплуатации огнетушителя, а в верхней части корпуса размещен выпускной патрубок с пеногенератором. Стакан установлен внутри корпуса осесимметрично ему и полиэтиленовой емкости, а клапан соединен со штоком, размещенным осесимметрично в стакане и подпружиненным пружиной. В нижней части стакана, над клапаном, выполнено, по крайней мере, три отверстия, обеспечивающих соединение щелочной и кислотной частей огнетушителя, а на крышке корпуса огнетушителя смонтировано запорно-пусковое устройство [RU 2427401 А62С 13/04, опубл. 27.08.2011].
Общим недостатком известных химических пенных огнетушителей является недостаточная огнетушащая эффективность, обусловленная обычно незначительным количеством генерируемой химической пены, определяемым стехиометрическим соотношением реагентов, а также возможность только одноразового использования в течение времени протекания реакции с невозможностью ее прерывания по полной выработки компонентов и невозможностью многократных включений/выключений огнетушителя при одном и том же заряде огнетушителя компонентами огнетушащего вещества.
Известно устройство для создания текучей твердеющей пены на основе воды, цемента и вспенивающего агента для предотвращения и тушения пожара в угольной шахте, содержащее основную агрегатную машину, автоматически пополняемый резервуар для хранения жидкости, систему перемешивания раствора, инжекционный пистолет и соответствующую систему соединительного трубопровода, при этом клапан, трехходовой клапан, датчик давления и расходомер соответствующим образом расположены на трубопроводе; и основная агрегатная машина содержи т двухъярусную структуру каркаса машины, при этом нижний ярус каркаса машины оснащен воздушным компрессором, интеллектуальной панелью управления и винтовым насосом, и верхний ярус каркаса машины оснащен вспенивающей трубой и смешивающей трубой. Текучая твердеющая пена, образованная устройством, обладает преимуществом, заключающимся в хорошо распределенных мелких пузырьках, высоким коэффициентом пенообразования и хорошими характеристиками стабильности пены; и приспособление обладает идеальными системными функциями, беспрепятственной циркуляцией раствора, является простым в эксплуатации и надежным в использовании, может хорошо приспосабливаться к сложным условиям угольной шахты и быстро, и непрерывно создавать текучую твердеющую пену, и применяется в угольных шахтах для остановки утечек, изоляции кислорода и предотвращения и тушения пожара, и таким образом эффективно обеспечивает безопасность и эффективность предотвращения и тушения пожара в угольных шахтах [RU 2620335 А62С 5/02 Опубл. 24.05.2017].
Известны способы и устройства вспенивания негорючих суспензий для целей пожаротушения.
Известно устройство для вспенивания суспензий при тушении подземных пожаров, которое содержит эжектор, гильзу с комбинированным каналом, диспергатор, камеру смешения. В эжекторе суспензия разделяется на две части. Основной поток идет через гильзу. Он дробится на диспергаторе. Дополнительный поток проходит через кольцевую щель. Далее он отклоняется конусным отбойником на пеногенераторную сетку и стекает вниз. Инертный газ проходит в полости газовой рубашки и образует высокократную пенопульпу. Основной поток смешивается с пенопульпой. В камере смешения образуется вспененная суспензия. Повышается эффективность приготовления суспензий на коротких скважинах за счет интенсификации процесса вспенивания [RU 2133829, E21F 5/00, А62С 5/02, B01F 5/06 Опубл. 27.07.1999].
Известна комплексная система создания завесы из вспененной суспензии, содержащая устройство турбулентное для вспенивания суспензий, пожарно-оросительный трубопровод шахты, патрубки подвода раствора пенообразователя и сжатого газа, камеру смешения, трубный канал с установленным в нем устройством ценообразования и источники подачи компонентов на генерирование пены, отличающаяся тем, что она снабжена стабилизатором структуры вспененной суспензии, установленным на выходном фланце устройства вспенивания в переходнике перед выходом на транспортный пенопровод, на оконечном участке которого размещена перфорированная пика для ее внедрения в труднодоступное место, при этом для стабилизации структуры вспененной пульпы она снабжена дополнительным патрубком для ввода в устройство раствора наполнителя, например золы-уноса, которая приготовлена и подана на устройство вспенивания посредством шламового погружного насоса из шахтной вагонетки у места производства работ, а в трубопровод воды из пожарно-оросительного трубопровода встроен пеносмеситель с регулируемым заборным краном пенообразователя с одновременным вводом в напорный рукав стабилизатора структуры пенного потока, выполненного в виде раствора бентонитовой коллоидной глины, которая также приготовлена во второй половине вагонетки с использованием шламового погружного насоса. Камера смешения компонентов смеси в устройстве вспенивания суспензии выполнена по форме диффузорной по ходу вспенивания суспензии в зоне перед винтовым стабилизатором, а расход дозируемого в системе количества жидкой фазы (бентонитовой глины, пенообразователя, воды и жидкого наполнителя) регламентирован по кранам регулирования в каждом трубопроводе и временем работы шламового погружного насоса [RU 33021, А62С 5/02, Опубл. 10.10.2003].
Известна комплексная система создания завесы в шахте из вспененной комбинированной суспензии, содержащая патрубки подвода раствора пенообразователя и воздуха, камеру смешения и трубный канал с установленным в нем устройством пенообразования в виде турбулизирующих пластин, отличающаяся тем, что к устройству пенообразования со стороны трубопровода подачи зольных суспензий закреплен дополнительный переходник с диффузорной смесительной камерой, подсоединенный к корпусу пеногенератора, на котором установлены патрубок подачи флегматизатора - например жидкой фазы хладона 114В2 в смеси с газообразным азотом и патрубок подачи газообразного азота, а на выходе устройства пенообразования закреплен конфузорный переходник контроля давления стабилизации структуры потока пены, выполненный со встроенными в трубопровод винтовыми лопастями, который подсоединен непосредственно в соединительное колено к обсадной трубе скважины, пробуренной с поверхности в зону подземного очага пожара [RU 50839, А62С 5/02, Опубл. 27.01.2006].
Недостатком известных устройств для вспенивания суспензий и применения вспененных суспензий для целей пожаротушения является сложность и громоздкость, невозможность их использования для тушения открытых пожаров и взрывопредотвращения на открытых участках больших площадей, то есть их низкая эффективность пожаротушения.
Известен водный раствор для тушения пожаров [RU 2275951, A62D 1/00, 10.05.2006], который для целей обеспечения необходимого уровня вязкости и достижения значительного снижения температуры в зоне горения, высоких значений температуростойкости и изолирующей способности состава за счет испарения свободной воды и термического вспенивания жидкого стекла, содержит воду в количестве 50-95 мас. % и в качестве загущающей добавки жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 в количестве 5-50 мас. %.
Дополнительно данный состав может содержать высокомолекулярное поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде смеси поливиниловый спирт - толуол - вода с поверхностным натяжением менее 30 мН/м из расчета 0,001-0,1 кг ПАВ на один кубический метр воды в растворе.
Присутствие ПАВ в данном составе раствора улучшает его диспергирование при набрызгивании и закреплении на поверхности горения. После тушения предлагаемым составом поверхность объектов горения в результате термического вспенивания или по своей физической сути вскипания в результате интенсивного нагрева набрызганного слоя раствора покрывается слоем твердой неорганической пены толщиной 2,5-5,5 см, и этот слой, выполняя роль своеобразного фильтра, обеспечивает меньшее остаточное выделение дыма с поверхности горения.
Как это указано в описании RU 2275951 тушение пожара данным составом осуществляется по следующему механизму: При подлете струи раствора жидкого стекла к поверхности горения, под действием высокой температуры происходит нагрев раствора и снижется его вязкость, что способствует лучшему растеканию раствора на поверхности горения. При испарении воды из раствора на поверхности горения увеличивается концентрация жидкого стекла, значительно повышается его вязкость и при полном испарении воды из состава раствора на поверхности горения остается пленка жидкого стекла, обладающая свойством непрерывности.
-3
3
Увеличение смачиваемости раствором поверхности горения и повышение степени диспергирования струи достигается за счет введения в состав высокомолекулярного поверхностно-активного вещества (ПАВ) с поверхностным натяжением менее 30⋅10 Н/м, например, на основе поливинилового спирта, толуола и воды в количестве 0,001-0,1 кг/м воды в растворе.
3
Образовавшаяся после испарения свободной воды на поверхности горения пленка жидкого стекла при температуре 120-200°С теряет молекулярную воду и приобретает твердообразное состояние. В интервале температур 200-400°С из твердообразного жидкого стекла начинает удаляться химически связанная вода, под действием которой корочка жидкого стекла приобретает пиропластическое состояние, а выделяющиеся пары воды, вследствие резкого увеличения своего объема, вспенивают эту корочку и ее объем увеличивается в 10-50 раз. Плотность образовавшегося на поверхности горения слоя силикатной пены составляет 30-50 кг/м и этот слой блокирует доступ кислорода воздуха к поверхности горения.
Образовавшийся подобным образом слой твердой силикатной пены не подвержен горению, так как по своему составу является неорганическим веществом - безводным силикатом щелочного металла, обладает низким коэффициентом теплопроводности (0,03-0,036 Вт/м⋅К) и предотвращает прогрев затушенной поверхности до температуры возгорания за счет резкого снижения интенсивности воздействия теплового потока, образующегося при излучении пламени и конвективного тепла дымовых газов.
Недостатками RU 2275951 является практическая невозможность равномерного разбрызгивания и контролируемого термического вспенивания раствора жидкого стекла на практически всегда неровных и изменяющихся в процессе горения поверхностях горящих материалах и, соответственно, невозможность получения заданной толщины "стеклянной" пены определенной структуры, а также необходимость наличия высокой температуры для термического вспенивания, а именно необходимость наличия температуры 120-200°С для испарения молекулярной воды и приобретения твердообразного состояния и необходимость наличия температуры 200-400°С для удаления из твердообразного жидкого стекла химически связанной воды, под действием которой корочка жидкого стекла приобретает пиропластическое состояние, и последующего интенсивного выделения паров воды (вскипания) для вспенивания этой корочки и ее превращения в твердую силикатную пену.
2
3
3
3
Известен пористый ксерогель SiO [RU 2530048 С01В 33/16, опубл. 10.10.2014 Заявка РСТ ЕР 2010/067821 20101119, публикация РСТ WO 2011/061289 20110526] который содержит поры, размер которых больше 50 нм, но меньше 1000 нм, в частности - меньше 500 нм, в частности - меньше 300 нм, в частности - меньше 100 нм, имеет плотность меньше 400 кг/м, в частности - меньше 290 кг/м, в частности - меньше 200 кг/м, содержит долю углерода, которая меньше 10%, в частности - меньше 5%, и имеет теплопроводность при 800°С меньше 0,060 Вт/м⋅К, при 400°С - меньше 0,040 Вт/м⋅К, при 200°С - меньше 0,030 Вт/м⋅К, имеет модуль упругости, равный по меньшей мере 5 МПа, при температурах до 560°С (в атмосфере, содержащей кислород) обладает длительной термостабильностью, представляет собой монолитное формованное изделие, гранулят или порошок.
2
2
Данный ксерогель SiO по RU 2530048 с характерным размером пор менее 1 микрометра, получают посредством золь-гель процесса с субкритической сушкой геля с использованием временных заполнителей пор или твердых скелетных опор (например, состоящих из углерода или органических веществ), которые в конце процесса получения удаляют посредством термического окисления. Вспомогательные органические частицы, или макромолекулы, или частицы углерода, содержащиеся в неорганическом геле, препятствуют коллапсу неорганической сетчатой структуры во время процесса субкритической сушки. Впоследствии эти заполнители пор или твердые скелетные опоры в максимальной степени удаляют в процессе термической обработки при температуре выше 300°С за счет окисления. В результате получают ксерогель SiO (с массовой долей волокон менее 5 масс. %) с пористостью более 80%, с содержанием несвязанного или лишь слабо химически связанного с силикатным скелетом углерода менее 10% и с размером пор менее 1 микрометра.
2
Ксерогель SiO по RU 2530048 применяют в качестве негорючего или невоспламеняющегося, прозрачного или полупрозрачного или непрозрачного теплоизоляционного материала, в качестве несущего теплоизоляционного материала, носителя катализаторов, фильтра, поглотителя, негорючего или невоспламеняющегося, прозрачного, полупрозрачного или непрозрачного легкого строительного материала, диэлектрика для электронных деталей, в качестве системы для контролируемого или быстрого выделения лекарственных препаратов, в качестве покрытия для использования в термодиффузионных процессах, в качестве литейной формы, в качестве носителя для сенсорных молекул в сенсорной технике, для звукоизоляции, для регулирования влажности или в качестве материала основы для композитных материалов.
Известен состав для создания вспененной аэрозольным путем термостойкой пены на основе силиката натрия [ЕР 0110328], содержащий два разделенных между собой раствора, один из которых, раствор «А», выполнен на основе водного раствора силиката натрия (50-97%) и пропеллента (3-50%), а другой - раствора «Б», являющийся отвердителем.
К раствору «А» (основному раствору) согласно ЕР 0110328 добавляют различные химические добавки в виде аммониевых соединений, боратов, синтетических резин и различных органических и неорганических соединений увеличивающие механические свойства пен и дисперсий, но при этом эти соединения должны быть совместимыми, т.е. протекание химических реакций между ними не предполагается. Для увеличения кратности пены в раствор «А» (в раствор силикатов щелочных металлов) могут вводиться добавки поверхностноактивных веществ.
В качестве раствора «Б» (отвердителя) согласно ЕР 0110328 используют органические и неорганические соединения, обладающие гелирующими свойствами, предпочтительно сложные эфиры карбоновых кислот, например триаацетатглицерина, которые, обладая высоковязкими свойствами, выступают загустителями, увеличивая реологические свойства образованных пен при смешении.
Оба раствора должны находиться под давлением в отдельных разделительных емкостях, причем раствор «Б» (отвердитель) находится под большим давлением, чем раствор «А» (основной раствор).
Разделительные емкости согласно ЕР 0110328 используются, чтобы избежать высаживания отвердителя. Для предотвращения высаживания отвердителя в растворы вводятся также эмульгаторы, а также в раствор «Б» (отвердитель) вводятся стабилизирующие компоненты, образующие микрокапсулы из солей поливалентных катионов, предпочтительно Zn, Mg, Са.
Образование газовых пузырьковых включений (вспенивания) по ЕР 0110328 происходит под действием высвобождения сжиженного пропилента при компенсации разности давлений с атмосферой,
Получаемые по ЕР 0110328 пены, образующиеся на основе силикатов щелочных металлов и обладающие стабильностью до 300° предлагается использовать в качестве термоизолирующих пен, в строительном производстве в качестве теплоизолятора.
Общим недостатком известных силикатов щелочных и щелочно-земельных металлов, пен и непокерамических материалов на их основе является их сравнительно низкая термостабильность, недостаточная для их использования в качестве огнетушащего средства при взрывопожаропредотвращения, поскольку известно, что температура воспламенения для большинства твердых материалов 300°С, температура пламени в горящей сигарете 700-800°С, в спичке температура пламени 750-850°С, температура воспламенения древесины 300°С, а температура горения древесины 800-1000°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом в части способа) является разработанный ранее авторами и запатентованный заявителем вспененный гель кремнезема, применение вспененного геля кремнезема в качестве огнетушащего средства, при взрывопожаропредотвращении и в качестве изолирующего и наполняющего материала в строительстве и в иных отраслях промышленности. [RU 2590379 С01В 33/16, опубл. 10.07.2016 (прототип)].
2
Вспененный гель кремнезема SiO по RU 2590379 получали воздушно-механическим вспениванием на известных пеногенераторах смеси силиката щелочного металла, преимущественно силиката натрия и пенообразующего поверхностно-активного вещества, преимущественно синтетического углеводородного пенообразователя, с рН от 10.9 до 11,5, при соотношении, мас. %, 10-70%, преимущественно 20-50% кремнезема, 1-15%, преимущественно 6% пенообразующего поверхностно-активного вещества, 15-89% - вода, и водного раствора активатора золеобразования кремнезема из силиката щелочного металла, например, 0,1 до 6%, преимущественно 0,7 до 3,5%-ного водного раствора уксусной кислоты, хлорводородной кислоты или хлорида аммония с рН от 3 до 8, при массовом соотношении растворов от 100:1 до 28:1, преимущественно 35:1.
Преимуществом вспененного геля кремнезема по RU 2590379 является практически мгновенная реакция компонентов после их соприкосновения и набор механической прочности вспененного геля по показателю динамической вязкости от 20 мПа⋅с до 100 Па⋅с в диапазоне времени от 2 секунд, но это делает практически невозможным применение всех известных пеногенераторов и устройств формирования пены низкой и средней кратности по причине затвердевания вспененного геля кремнезема внутри пеногенераторов и устройств с быстрым прекращением их нормального функционирования.
Существенным недостатком технологии генерирования вспененного геля кремнезема по RU 2590379 являлось то, что его можно было получать на известных пеногенераторах воздушно-механическим вспениванием смеси разбавленных компонентов, а именно использование в качестве активатора золеобразования кремнезема преимущественно 1 до 3,5%-ного водного раствора уксусной кислоты, при преимущественном массовом соотношении раствора силиката натрия с пенообразующим поверхностно-активным веществом и раствора уксусной кислоты 35:1.
В результате использования низкоконцентированных компонентов получаемый по RU 2590379 вспененный гель кремнезема на известных пеногенараторах получался с недостаточным количеством геля кремнезема и большим количеством воды. При использовании более концентрированных компонентов по RU 2590379 происходило формирование твердой пены в трубопроводе подачи смеси компонентов в пеногенератор и непосредственно в самом пеногенераторе, что делало невозможным его нормального использования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом в части устройства) является огнетушитель химический пенный, содержащий емкость, заполненную жидким огнетушащим веществом, источник вытесняющего газа, запорно-пусковое устройство, распылитель жидкости, соединенный через трубопровод с выходом запорно-пускового устройства, при этом распылитель жидкости выполнен с возможностью генерации направленной тонкораспыленной струи огнетушащего вещества, в котором, для генерации тонкораспыленной струи огнетушащей жидкости, с помощью которой осуществляется эффективное тушение очагов пожара классов А и В, а также электрооборудования, находящегося под высоким напряжением и сохранения эффективности пожаротушения при длительном хранении и при отрицательных температурах, в качестве жидкого огнетушащего вещества использована смесь водного раствора соли, выбранной из следующего ряда веществ: диаммонийфосфат, хлорид магния, хлорид кальция, хлорид лития, и пленкообразующего пенообразователя, причем содержание соли в огнетушащем веществе составляет не менее 10 мас. %, содержание пленкообразующего пенообразователя в огнетушащем веществе составляет не менее 5 мас. %. В результате обеспечивается повышение эффективности огнетушащей способности огнетушителя за счет расширения технических возможностей, увеличения срока эксплуатации, обеспечения устойчивого режима работы с исключением необходимости переворачивания и самосрабатывания в процессе эксплуатации [RU 2278713 А62С 13/04, опубл. 27.06.2006 (прототип)].
В качестве источника вытесняющего газа в RU 2278713 используется сжатый газ, заполняющий газовую полость в емкости над поверхностью жидкого огнетушащего вещества, распылитель жидкости снабжен струйно-центробежным завихрителем потока жидкости и выходным соплом и выполнен с профилированным каналом, включающим входной участок цилиндрической формы и выходной участок в форме конического диффузора, при этом входное отверстие выходного участка сопряжено с выходным отверстием цилиндрического участка.
При использовании RU 2278713 обеспечивается генерация направленной тонкораспыленной струи огнетушащей жидкости, которая как было показано выше обладает более низкой по сравнению с воздушно-механической пеной низкой и средней кратности эффективностью пожаротушения.
Химических огнетушителей с возможностью получения твердой негорючей пены и возможностью твердопенного тушения и/или пожаровзрывопредотвращения в объеме проведенного поиска не выявлено.
Общим недостатком известных водопенных устройств пожаротушения и химических огнетушителей является то, что в известных устройствах огнетушащее средство преимущественно формируется внутри корпуса устройства и/или в трубопроводах подачи огнетушащего средства к средствам распыления и вспенивания, что делает их непригодными для применения с быстротвердеющими пенами кремнезема по причине быстрого образования твердой пены внутри устройств и в трубопроводах подачи смеси огнетушащего средства к средствам распыления, поскольку это сразу прекращало их нормальное функционирование.
Решаемая задача и технический результат
Задачей изобретения является устранение недостатков известных аналогов и прототипов.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения является повышение надежности функционирования средств пожаротушения и взрывопожаропредотвращения и эффективности процессов взрывопожаропредотвращения и пожаротушения.
Сущность изобретения
Поставленная задача решается и требуемый технический результат достигается тем, что при осуществлении способа взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения, включающем приготовление вспененного геля кремнезема в виде быстротвердеющей пены путем смешивания компонента А в виде водного раствора смеси силиката щелочного металла и пенообразующего поверхностно-активного вещества с компонентом Б в виде активатора золеобразования кремнезема и вспенивания смеси компонентов А и Б,
согласно изобретения в качестве компонента А используют водный раствор смеси силиката щелочного металла, преимущественно силиката натрия, и пенообразующего поверхностно-активного вещества, преимущественно синтетического углеводородного пенообразователя, при соотношении, мас. %, 10-70%, преимущественно 20-50% силиката щелочного металла, 1-15%, преимущественно 3-6% пенообразующего поверхностно-активного вещества, остальное - вода, а
в качестве компонента Б используют 20-60%, преимущественно от 30-50%-ный водный раствор преимущественно уксусной кислоты,
а компоненты А и Б используют при объемном соотношении от 15:1 до 6:1, преимущественно 10:1.
Компоненты А и Б смешивают непосредственно перед вспениванием посредством эжекторного смесителя, выполненного с возможностью эжектирования компонента Б в поток компонента А, подаваемого под воздействием избыточного давления сжатого воздуха в емкости с компонентом А, а вспенивание смеси компонентов А и Б производят сразу после смешивания компонентов А и Б посредством эжекторного пеногенератора, выполненного с возможностью эжектирования атмосферного воздуха в смесь компонентов А и Б.
При смешивании компонентов А и Б в эжекторный смеситель сначала подают компонент А и затем компонента Б, а при окончании смешивания компонентов А и Б сначала прекращают подачу в эжекторный смеситель компонента Б, а затем прекращают подачу в эжекторный смеситель компонента А.
Смешивание компонентов А и Б и вспенивание смеси компонентов А и Б осуществляют с получением вспененного геля кремнезема с набором его твердости в течение от 1 секунды до 2 минут и изменением его объема в затвердевшем состоянии не более 10% в течение 24 часов,
с получением твердого пенокерамического материала на основе вспененного геля кремнезема, обладающего термостабильностью при воздействии температуры 1000°С не менее 60 минут, который.
содержит, мас. %, 13-65%, преимущественно 20-50% кремнезема, 1-15%, преимущественно 6% пенообразующего поверхностно-активного вещества, вода-остальное;
3
имеет объемную массу 0,1-0,8 г/см;
имеет объемную устойчивость не менее 22 часов при изменении объема не более 10%,
а в обезвоженном состоянии
3
имеет объемную массу 0,05-0,1 г/см и
сохраняет не менее 95% объемной формы при нагреве до температуры 1000°с в течении не менее 40 минут;
2
имеет микро- и макропористую структуру с удельной площадью поверхности не менее 20 м/гр;
имеет пластичную структуру геля с кратностью от 2 до 20;
имеет твердость по показателю вязкости более 100Па⋅с;
имеет белый или желтовато-белый цвет.
Поставленная задача решается и требуемый технический результат достигается также тем, что устройство для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения, содержащее емкости с размещенными в них компонентами огнетушащего вещества, трубопроводы компонентов огнетушащего вещества, средство смешивания компонентов огнетушащего вещества и средство вспенивания смеси компонентов огнетушащего вещества,
согласно изобретения выполнено с возможностью реализации способа, а именно с возможностью получения в качестве огнетушащего вещества вспененного геля кремнезема в виде быстротвердеющей пены, получаемой путем смешивания и вспенивания смеси компонента А в виде водного раствора смеси силиката щелочного металла, преимущественно силиката натрия, и пенообразующего поверхностно-активного вещества, преимущественно синтетического углеводородного пенообразователя, при соотношении, мас. %, 10-70%, преимущественно 20-50% силиката щелочного металла, 1-15%, преимущественно 3-6% пенообразующего поверхностно-активного вещества, остальное - вода,
и компонента Б в виде 20-60%, преимущественно от 30-50%-ный водного раствор активатора золеобразования кремнезема, преимущественно уксусной кислоты,
при объемном соотношении компонентов А и Б от 15:1 до 6:1, преимущественно 10:1.
Средство смешивания компонентов А и Б огнетушащего вещества выполнено в виде эжекторного смесителя с возможностью эжектирования компонента Б в компонент А и размещено непосредственно перед средством вспенивания смеси компонентов огнетушащего вещества.
Средство вспенивания огнетушащего вещества выполнено в виде эжекторного пеногенератора с возможностью вспенивания смеси компонентов А и Б эжектируемым атмосферным воздухом.
Устройство содержит запорно-пусковой механизм и распределительное устройство, выполненные с возможностью в начале использования устройства последовательной подачи в средство смешивания компонентов огнетушащего вещества подачи сначала компонента А и затем компонента Б, а при окончании использования устройства последовательного прекращения подачи в средство смешивания компонентов огнетушащего вещества сначала компонента Б и затем компонента А,
с возможностью подачи компонента А в средство смешивания компонентов огнетушащего вещества из емкости компонента А под воздействием сжатого воздуха в емкости с компонентом А.
Емкость компонента А снабжена ниппелем для закачки в емкость компонента А сжатого воздуха и манометром для контроля давления сжатого воздуха в емкости компонента А, а емкость 8 с компонентом Б выполнена в виде ранца с возможность ее переноски за плечами оператора.
Устройство может быть выполнено размещенным на ручной тележки с возможностью его мобильного перемещения.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, изображениями устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема в целом, эжекторного смесителя и эжекторного пеногенератора, а также примерами применения устройства и реализации способа взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема.
На Фиг. 1 показано устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема.
На Фиг. 2 - чертеж устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема, на котором показаны: емкость 1 с компонентом А в виде баллона с возможность закачки в него сжатого воздуха; запорно-пусковое устройство 2; манометр 3 на емкоскости компонента А для контроля давления сжатого воздуха внутри емкости компонента А; трубопровод подачи компонента А; затвор (пистолет) 5 включения/выключения подачи компонентов А и Б соответственно в трубопроводы компонентов А и Б; эжекторный смеситель 6 для смешивания компонентов А и Б; эжекторный пеногенератор 7 для вспенивания смеси компонентов А и Б с получением быстротвердеющей пены геля кремнезема из смеси компонентов А и Б; емкость 8 с компонентом Б, выполненный в виде ранца с возможность переноски за плечами оператора; трубопровод 9 подачи компонента Б; кран 10 подачи компонента Б; тележка 11 с колесами 12; крышка 13 емкости с компонентом Б; воздушный клапан 14 на емкости 8 с компонентом Б; ручка 15 тележки 11; отверстия 16 на эжекторном пеногенераторе для эжекции атмосферного воздуха в поток смеси компонентов А и Б; сифонная трубка 18 подачи компонента А в трубопровод компонента А под действием закачиваемого в емкость компонента А давления сжатого воздуха.
На Фиг. 3 - сечение эжекторного смесителя компонентов А и Б, где показаны корпус эжекторного смесителя компонентов А и Б с расположенными внутри него диффузором 19, насадком-соплом 20 для компонента А; отверстием 21 для эжекции компонента Б и смесительной камерой 22 эжекторного смесителя, в которой смешиваются компонента А и Б.
Эжекторный смеситель выполняют сборно/разборным посредством показанных на чертеже резьбовых соединений с возможностью резьбового соединения с эжекторным пеногенератором быстротвердеющей пены.
Сборно/разборная конструкция эжекторного смесителя на резьбовых соединениях обеспечивает возможность его оперативной сборки/разборки и прочистки в случае появления в нем затвердевшей пены вспененного геля кремнезема.
На Фиг. 4 показано сечение эжекторного пеногенератора 23 быстротвердеющей пены с отверстиями 16 для эжекции атмосферного воздуха в смесь компонентов А и Б с получением быстротверждеющей пены вспененного геля кремнезема.
На фиг. 5 показано начало тушения модельного очага пожара 1А с помощью устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема.
На фиг. 6 показано окончание тушения модельного очага пожара 1А с помощью устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема.
На фиг. 7 показан вид модельного очага пожара 1А сразу после твердопенного тушения вспененным кремнеземом посредством предлагаемого устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема твердопенного тушения и взрывопожаропредотвращения вспененным гелем кремнезема.
Осуществление изобретения
Химический процесс получения вспененного геля кремнезема и пенокерамического материала на основе обезвоженного вспененного геля кремнезема включает стадию формирования золя кремнезема и стадию вспенивания золя кремнезема с образованием вспененного геля кремнезема и высвобождением химически воды, а также стадию обезвоживания вспененного геля кремнезема с получением твердого пенокерамического материала на основе вспененного геля кремнезема.
Формирование золя кремнезема происходит в результате смешения и взаимной гомогенизации смеси водного раствора силиката щелочного металла, преимущественно силиката натрия, с пенообразующим поверхностно-активным веществом, преимущественно синтетическим углеводородным пенообразователем, (компонент А), и активатора золеобразования кремнезема (компонент Б), преимущественно в виде водного раствора преимущественно уксусной кислоты или водного раствора соли с кислотным рН.
Переход силиката щелочного металла, в преимущественном варианте - силиката натрия, в кремнезем обусловлен химической реакцией гидролиза силиката натрия в водной среде в присутствии активатора золеобразования с образованием кремниевой кислоты и последующей конденсации кремниевой кислоты, способствующей зародышеобразованию дисперсной фазы золя кремнезема и высвобождению химически связанной воды.
Влияние активатора золеобразования на полимеризацию сформированных мономеров кремнезема и ограничение этой стадии процесса от дальнейшего гелирования определяется показателем размера гидродинамического радиуса наночастиц в диапазоне до 50 нм, так как известно, что увеличение концентрации и размеров дисперсной фазы приводит к появлению коагуляционных контактов между частицами и началу структурирования.
Как показали исследования авторов, в качестве активатора золеобразования кремнезема из силиката щелочного металла (компонента Б) целесообразно использовать кислые растворы с рН от 0,5 до 5, например водный раствор - от 20 до 60%, преимущественно от 30-50%-ный водный раствор уксусной кислот.
Оптимальное объемное соотношение компонентов А и Б составляет от 15:1 до 6:1, преимущественно 10:1.
Компоненты А и Б целесообразно смешивать в эжекторном смесителе, а смесь компонентов А и Б сразу вспенивается в эжекторном пеногенераторе с образованием быстротвердеющей пены с кратностью 2-60 с протеканием в пенной среде реакций золеобразования кремнезема и лоликонденсации золя кремнезема с золь-гель переходом кремнезема с получением вспененного геля кремнезема с набором его твердости при использовании указанных выше компонентов в указанном соотношении в течение от 1 секунды до 2,0 минут и изменением его объема не более 10% в течение 24 часов.
В результате выделения и отделения влаги из вспененного геля кремнезема получается твердый пенокерамический материал на основе вспененного геля кремнезема, который при сохранении вспененной структуры обладает термостабильностью при воздействии температуры не менее 1000°С до 60 минут, что позволяет использовать полученный вспененный гель кремнезема и пенокерамический материал на основе вспененного геля кремнезема в качестве эффективного огнетушащего средства при взрывопожаропредотвращении и твердопенном тушении пожаров.
Как показали исследования авторов, смешивание компонентов А и Б целесообразно проводить посредством эжекторного смесителя непосредственно перед вспениванием смеси компонентов А и Б, а вспенивание смеси компонентов А и Б проводить сразу после смешивания компонентов А и Б эжекторного пеногенератора.
Получаемая быстротвердеющая пена вспененного геля кремнезема обладает хорошей адгезией к различным объектам пожаротушения, в том числе к вертикальным и наклонным металлическим поверхностям, и высокой структурно-механической стойкостью к неблагоприятному воздействию на нее внешних факторов, таких как тепловые потоки и ветер.
Концентрации и условия взаимного диспергирования силиката щелочного металла и активатора золеобразования кремнезема, а также концентрации и химические свойства силиката натрия и пенообразующего поверхностно-активного вещества оказывают существенное влияние на процесс золеобразования и пенообразования при вспенивании, в связи с чем выбор конкретных концентраций и конкретных компонентов пенообразующего поверхностно-активного вещества и активатора золеобразования кремнезема могут изменяться в конкретных случаях.
Как показали проведенные авторами исследования, смешивание компонентов А и Б и вспенивание смеси компонентов А и Б с образованием вспененного геля кремнезема целесообразно осуществлять в диапазоне времени от 1-5 секунд, в течение которого осуществляется набор механической прочности геля наночастиц кремнезема с образованием субтвердой массы вспененного кремнезема с вязкостью до 100Па⋅с, что, как известно, соответствует понятию - твердого состояния вещества.
Кроме этого, в пределах именно этого диапазона времени обычно осуществляется подача на очаг пожара пен с расстояния до 10 м и более.
Рост мономерных цепочек наночастиц кремнезема в результате поликонденсации наночастиц золя кремнезема приводит к увеличению их среднего гидродинамического радиуса и, следовательно, к увеличению коагуляционных контактов между наночастицами золя кремнезема.
В связи с высокой гомогенизацией смеси раствора силиката щелочного металла с поверхностно-активным. веществом и раствора активатора золеобразования в процессе воздушно-механического вспенивания на стадии формирования золя кремнезема, достижение энергетического барьера, определяющего возможность химического взаимодействия отдельных мономеров золя кремнезема через равновесную по толщине прослойку стенок пены как дисперсионной среды, происходит во всем объеме вспененной смеси компонентов с достаточно высокой гомогенностью.
Это позволяет с достаточно высокой скоростью обеспечить переход смеси растворов из состояния золя кремнезема в состояние гель кремнезема с образованием быстротвердеющего вспененного геля кремнезема.
Дальнейшая поликонденсация частиц золя кремнезема в гель кремнезема в пене приводит к высвобождению химически связанных молекул воды и уплотнению сформировавшегося неорганического полимера вспененного кремнезема с высвобождением воды и обезвоживанием.
Внешние факторы, например, воздействие высокой температуры при пожаре, могут ускорять стадию высвобождения воды и обезвоживания, причем увеличение термостабильности неорганического полимера кремнезема будет пропорционально количеству высвобождающихся химически связанных молекул воды, что в конечном итоге способствует повышению огнетушащей способности вспененного геля кремнезема.
В результате детально описанного физико-химического процесса получается вспененный гель кремнезема, который по результатам проведенных авторами исследований в необезвоженном состоянии обладает следующими основными свойствами и характеристиками:
содержит, мас. %, 13-65%, преимущественно 20-50% кремнезема, 1-15%, преимущественно 6% пенообразующего поверхностно-активного вещества, вода-остальное;
3
имеет объемную массу 0,1-0,8 г/см;
имеет объемную устойчивость не менее 22 часов при изменении объема не более 10%.
В обезвоженном состоянии вспененный гель кремнезема
3
имеет объемную массу 0,05-0,1 г/см и
сохраняет не менее 95% объемной формы при нагреве до температуры 1000°с в течении не менее 40 минут;
2
имеет микро- и макропористую структуру с удельной площадью поверхности не менее 20 м/гр;
имеет пластичную структуру геля с кратностью от 2 до 20;
имеет твердость по показателю вязкости более 100 Па⋅с;
имеет белый или желтовато-белый цвет.
Вспененный гель кремнезема в преимущественном варианте реализации изобретения получают эжекционным смешением и эжекционным вспениванием смеси водного раствора 10-70%, преимущественно 20-50%, силиката натрия, и 1-15%, преимущественно 6%, синтетическим углеводородным пенообразователем, с 1 до 6%, преимущественно 20 до 50-ти %ного водного раствора уксусной кислоты, при массовом соотношении водного раствора силиката натрия с пенообразующим поверхностно-активным веществом и водного раствора уксусной кислоты от 15:1 до 5:1, преимущественно 10:1.
Вспененный гель кремнезема получается на основе водного раствора золя кремнезема, сформированного в процессе гидролиза вспененной смеси раствора силиката натрия с пенообразователем с рН от 10,5 до 12,0 и активатора золеобразования с рН от 1 до 5 при использовании раствора кислоты или с рН от 3 до 8 при использовании раствора соли, с гидродинамическим радиусом частиц кремнезема не более 50 нм при воздушно-механическом эжекционном вспенивании раствора золя кремнезема в процессе роста мономеров кремнезема до среднего диаметра золя кремнезема 100 нм с набором механической прочности по показателю динамической вязкости от 20 мПа⋅с до 100 Па⋅с в диапазоне времени 1-10 секунд.
Указанные общие и преимущественные технологические параметры определены в результате проведенных авторами исследований, при этом при получении вспененного золя кремнезема по предлагаемому способу могут быть также использованы растворы силикатов щелочных и щелоземельных металлов, в частности силикат натрия, как наиболее распространенный силикат щелочных металлов в промышленном производстве, а также могут быть использованы пенообразующие поверхностно-активные вещества различных марок, в частности пенообразователи для пожаротушения марок ПО-6ЦТ, «Файрекс», НСВ, ПО-6 ТФ и другие, удовлетворяющие условиям сохранения стабильности во времени, находясь в смеси с водным раствором силикатом натрия и не изменяя своего химического состава;
2
2
2
2
3
Растворимый силикат щелочных металлов лития, калия, натрия, обычно называемый «жидкое стекло», представляет собой вязкую жидкость с общей химической формулой R O⋅mSiO⋅nHO (где R О - оксид щелочного металла, m - модуль жидкого стекла) с плотностью 1400-1500 кг/м и коэффициентом динамической вязкости до 1 Па⋅с.
3
3
Жидкое натриевое стекло смешивается с водой в любых соотношениях и при содержании в огнетушащем составе в указанном количестве (10-70%, преимущественно от 20 до 70%) изменяет вязкость раствора от 6 мПа⋅с до 40 мПа⋅с при изменении плотности раствора с 1020 кг/м до 1250 кг/м.
В указанном диапазоне концентрации жидкого стекла в составе водного раствора вязкость раствора увеличивается в 4-500 раз по сравнению с вязкостью воды (0,001 Па⋅с, 20°С). Такое изменение вязкости водных растворов, используемых для тушения пожаров, практически недостижимо при использовании органических или неорганических загустителей.
Кроме того, при растворении жидкого стекла в воде существенно повышается плотность раствора, что способствует увеличению кинетической энергии движения струи огнетушащего раствора или пены по сравнению с энергией струи воды, направленной в очаг горения с одинаковой скоростью. Дальность полета струи огнетушащего раствора или пены при этом также увеличивается.
2
2
При приготовлении предлагаемого огнетушащего средства необходимо использовать жидкое стекло с модулем m=SiO/RO=2,5-3,2. Данный выбор диапазона установлен исходя из экономической целесообразности использования наиболее промышленно распространенных и доступных композиций жидкого стекла.
Обозначенный интервал силикатного модуля позволяет значительно удешевить его применения, оказывая положительный экономический эффект на конечный продукт. Однако, допускается использование иного модуля с небольшим отклонением от установленного в диапазоне ±0,5.
Этот интервал охватывает практически все виды жидких стекол, выпускаемых промышленностью.
Срок хранения раствора жидкого стекла в герметичных металлических емкостях практически неограничен и не вызывает коррозии металла.
Подбор концентрации реагентов производился из условий, что набор твердости вспененного субстрата из золя кремнезема при переходе в состояние геля кремнезема сопровождается набором вязкости до 100Па⋅с за установленный интервал времени 1-10 секунд.
Нижнее значение установленного интервала времени (1 с) определено исходя минимально возможного времени гомогенизации смеси растворов с одновременным вспениванием.
Верхнее значение установленного интервала времени (10 секунд) определено экспериментально на основе визуального наблюдения ухудшения структурно-механических параметров пены на объектах пожаротушения.
При интенсивной гомогенизации смеси компонента Б (преимущественно водного раствора уксусной кислоты) и компонента А, состоящего из смеси водного раствора поверхностно-активного вещества и силиката щелочного металла, может быть получен золь кремнезема, перспективный для получения вспененного геля кремнезема, однако ключевыми параметрами в данном случае являются концентрации силиката и активатора золеообразования, условий смешивания и вспенивания компонентов, которые определены авторами экспериментально в результате натурных исследований.
При исследованиях учитывали такие показатели, как стабильность вспененного материала, структура вспененного материала, кратность вспененного материала, огнетушащие свойства и термостойкость вспененного материала.
Стабильность характеризуется периодом времени, в течение которого пены не изменяли своего объема (т.е. уменьшение объема 10%).
Структура вспененного материала оценивалась визуально после затвердевания и сушки (примерно через 3 дня при температуре 25±5°С).
Кратность пены определялась весовым методом.
Огнетушащие свойства - временем тушения модельного очага пожара 1А.
Термостойкость - сохранением материалом структуры и свойств при нагреве до определенной температуры, выше которой начинается частичное подплавление поверхностного слоя и его уплотнение.
Известно, что в основу функционирования обычных средств пожаротушения заложены один или более из следующих трех принципов действия:
1) водная основа: распыляемая подача воды для заливки языков пламени и охлаждения зоны горения до температуры ниже точки воспламенения с целью погашения пламени;
2) сухой порошок или пена: окружение зоны возгорания влажной пеной или сухим порошком с целью ограничения языков пламени, блокирования горения кислорода и, в результате, погашения языков пламени;
3) предотвращение поступления кислорода в зону возгорания или вытеснение кислорода из зоны возгорания с созданием условий, при которых горение продолжаться не может
Отличительной характерной особенностью предлагаемого изобретения является возможность получения вспененного геля кремнезема, образующего быстротвердеющую пену, получаемую путем смешения воздуха и двух жидких компонентов огнетушащего вещества: компонента А - водного раствора смеси силиката щелочного металла, преимущественно силиката натрия, и пенообразующего поверхностно-активного вещества, преимущественно синтетического углеводородного пенообразователя, и компонента Б - активатора золеобразования кремнезема, преимущественно в виде водного раствора преимущественно уксусной кислоты.
Огнетушащим средством в предлагаемом изобретении является вспененный гель кремнезема, образующий быстротвердеющую пену, получаемую путем эжекционного смешивания компонента А и компонента Б и эжекционного вспенивания смеси компонентов А и Б атмосферным воздухом.
Компонент А представляет собой водный раствор смеси силиката щелочного металла, преимущественно силиката натрия и пенообразующего поверхностно-активного вещества, преимущественно синтетического углеводородного пенообразователя, с рН от 10,5 до 12,0, при соотношении, мас. %, 10-70%, преимущественно 20-50% силиката натрия, 1-15%, преимущественно 3-6% пенообразующего поверхностно-активного вещества, вода - остальное.
Оптимальное объемное соотношение компонентов А и Б указанных концентраций составляет от 15:1 до 6:1, преимущественно 10:1.
Согласно изобретения компоненты А и Б смешиваются посредством эжекторного смесителя, а смесь компонентов А и Б вспенивается посредством эжекторного пеногенератора с образованием быстротвердеющей пены вспененного геля кремнезема с преимущественной кратностью от 2 до 60 с протеканием в пенной среде реакций золеобразования кремнезема и поликонденсации золя кремнезема с золь-гель переходом кремнезема и с получением вспененного геля кремнезема с набором его твердости в течение от 1 секунд до 2 минут и изменением его объема в затвердевшем состоянии не более 10% в течение 24 часов.
В результате выделения избыточной влаги из вспененного геля кремнезема получается твердый пенокерамический материал на основе вспененного геля кремнезема, который при сохранении вспененной структуры обладает термостабильностью при воздействии температуры не менее 1000°С до 60 минут, что позволяет использовать полученный вспененный гель кремнезема и пенокерамический материал на основе вспененного геля кремнезема в качестве эффективного огнетушащего средства при тушении и взрывопожаропредотвращении, в том числе путем создания огнестойких пенных заградительных полос.
2
2
При необходимости получаемая твердая неорганическая пена (твердый пенокерамический материал на основе вспененного геля кремнезема) может быть механически разрушена с получением мелкодисперсного порошка кремнезема SiO, по химической сути - экологически безопасного мелкодисперного обычного кварцевого песка SiO.
Таким образом, борьба с пожарами и пламенем посредством вспененного геля кремнезема, образующего быстротвердеющую термостойкую пену осуществляется посредством при использовании концентрированных компонентов с эффективной комбинации всех факторов индивидуальных преимуществ различных типов известных средств пожаротушения.
Конкретные технические преимущества взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения заключаются в следующем:
1) свободная, физически и химически связанная вода вспененного геля кремнезема понижает температуру зоны возгорания, поглощая латентное тепло и препятствуя распространению пламени;
2) вспененный гель кремнезема формирует отличный термостойкий и теплоизоляционный слой, ограничивая горячую зону возгорания, которая, несмотря на охлаждение вследствие процесса (1), может излучать тепло, распространяя его на прилегающие охлажденные водой зоны;
3) твердая пена вспененного кремнезема формирует покрывной слой в виде защитного теплогазоизолирующего огнестойкого покрытия, предотвращающего воспламенение и взрыв пыле-газо-воздушных смесей и последующее горение и/или распространение горения горючих материалов, оказавшихся под этим покрывным слоем твердой пены вспененного кремнезема или вне ее;
4) твердая пена кремнезема с наноразмерными частицами кремнезема создает между горючим материалом, еще не охваченным огнем, и кислородом атмосферы барьер для кислорода, необходимого для химических реакций окисления при воспламенении, взрыве и горении;
5) наноразмерные частицы кремнезема за счет образования объемной решетчатой структуры не только хорошо удерживают воду, но и обеспечивает прилипание тонкодисперсных частиц кремнезема к объекту пожаротушения, а быстротвердеющая пена, в отличие от воды и обычной жидкой воздушно-механической водяной пены, которая быстро осаждается и стекает с вертикальных, наклонных и неровных поверхностей, обеспечивает формирование твердопенного теплогазоизолирующего барьера (фиг. 6).
Основные технические характеристики предлагаемого устройства для твердопенного тушения и взрывопожаропредотвращения вспененным гелем кремнезема показаны в таблице 1.
Основными частями устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема являются выполненная в виде баллона емкость с компонентом А, емкость с компонентом Б, эжекторный смеситель компонентов А и Б и эжекторный пеногенератор для вспенивания смеси компонентов А и Б.
Устройства для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезем работает следующим образом:
Компонент А под действием давления сжатого воздуха в емкости компонента А по трубопроводу компонента А подается в эжекторный смеситель, в смесительной камере которого создается разряжение, под действием которого компонент Б при открытом кране трубопровода компонента Б попадает в смесительную камеру эжекторного смесителя, где смешивается с компонентом А.
Смесь компонентов А и Б из эжекторного смесителя сразу попадает в эжекторный пеногенератор, куда через соответствующие отверстия эжектируется атмосферный воздух, вспенивающий смесь компонентов А и Б.
В эжекторном смесителе происходит быстрое и эффективное смешивание концентрированных растворов компонентов А и Б, а в эжекторном пеногенераторе эффективное вспенивание смеси компонентов А и Б с образованием быстротвердеющей пены геля кремнезема, которую направляют в зону взрывопожаропредотвращения и тушения.
При тушении пожара устройство для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема может обслуживать один человек.
Практические испытания возможности достижения технического результата и промышленной реализации способа устройства проводили на открытом воздухе при температуре, соответствующей диапазону температур эксплуатации используемого огнетушителя, и скорости ветра, не превышающей 5 м/с, при отсутствии осадков.
Модельный очаг пожара 1А по ГОСТ 51057-2001 представлял собой деревянный штабель в виде куба, размещенный на твердой опоре таким образом, что расстояние от основания штабеля до опорной поверхности составляло 400 мм.
В качестве горючего материала использовали 72 бруска хвойных пород не ниже третьего сорта по ГОСТ 8486-86 сечением 40 мм, длиной 500 мм, влажностью 10-20%.
2
Штабель содержал 12-ть слоев по 6 брусков в каждом слое, выложенных так что бруски каждого последующего слоя располагались перпендикулярно к брускам нижележащего слоя с образованием по всему объему штабеля каналов прямоугольного сечения. Площадь свободной поверхности модельного очага составляла 4,7 м
3
3
Под штабелем располагали металлический поддона для горючей жидкости размером 400×400×100 мм, в который наливали 5,0 дм для образования сплошной ровной поверхности и 1,1 дм бензина летнего вида, соответствующего требованиям ГОСТ Р 51105-97.
Поддон с горючей жидкостью помещали под штабель таким образом, что центры штабеля и поддона совпадали.
Поджигали бензин в поддоне и через 8-10 минут с момента начала горения, когда штабель со всех сторон охватывался пламенем, приступали к тушению модельного очага пожара различными огнетушащими средствами.
Во время тушения очагу пожара придавали вращение со скоростью 3-5 об/мин, что позволяло подавать огнетушащие вещества на каждую сторону очага последовательно и без вмешательства оператора с исключаем влияние человеческого фактора.
Тушение с использованием предлагаемого огнетушителя твердопенного тушения проводили с подачей быстротвердеющей пены из вспененного геля кремнезема с расходом 0,9-1,1 л/с при давлении 0,7-0,8 МПа при расстоянии от ствола до очага пожара 4-6 м. Огнетушитель устанавливали стационарно.
После визуально наблюдаемого окончания тушения модельного очага различными огнетушащими составами фиксировали время до повторного воспламенения.
Модельный очаг пожара считали потушенным, если в течение 10 мин не произошло повторного воспламенения с последующим устойчивым горением штабеля.
Расчет показателя эффективности тушения рассчитывали по формуле:
, где:
2
s - площадь потушенного объекта, м;
Q - общий расход огнетушащего вещества на тушение объекта, л;
t - время тушения объекта, с.
В табл. 2 представлены результаты сравнительных испытаний огнетушащей эффективности в идентичных условиях для различных огнетушащих средств: распыленной воды из водяного огнетушителя; воздушномеханической пены на основе раствора различных пенообразователей из обычного воздушно-пенного огнетушителя; быстротвердеющей пеной из вспененного гель кремнезема из предлагаемого огнетушителя взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезема.
Использование предлагаемого способа и устройства для целей взрывопожаропредотвращения целесообразно в начальной стадии возникновения аварийных ситуаций в закрытых помещениях и на открытых площадках при возможном возгорании горючих материалов или для тушения уже загоревшихся материалов, а также при разливах аварийных химически опасных веществ (АХОВ), интенсивное испарение которых может приводить к образованию взрывоопасных и пожароопасных газовых смесей, а также при защите от перегрева взрывоопасных веществ при их нагреве от пожара.
Как показали натурные испытания оперативное покрытие твердеющей пеной геля кремнезема поверхностей аварийных розливов горючих жидкостей и врывоопасных объектов обеспечивает резкое в течение нескольких секунд снижение скорости испарения горючих жидкостей и нагрев врывоопасных объектов, что обеспечивает быстрое и эффективное взрывопожаропредотвращение и тушение пожара в самом начале аварийных ситуаций
Повышение надежности функционирования устройства обеспечивается возможностью первоочередной подачи в средство вспенивания компонента А и смешивания компонентов А и Б непосредственно в средстве вспенивания, а именно выполнены с возможностью при начале функционирования огнетушителя последовательной подачи в средство распыления и вспенивания огнетушащего вещества компонента А и затем компонента Б, а при окончании функционирования огнетушителя последовательного прекращения подачи в средство распыления и вспенивания огнетушащего вещества компонента Б и затем компонента А. Этим не только полностью предотвращается возможность затвердевания вспененного геля кремнезема внутри трубопровода подвода огнетущащего средства к средству вспенивания и внутри средства вспенивания, но обеспечивается возможность неоднократного включения/выключения огнетушителя и его многократное нормальное использование до полной выработки зарядов компонентов А и Б.
Таким образом, использование предлагаемого огнетушителя обеспечивает уверенное достижение технического результата, а именно существенно повышает надежность функционирования устройства пожаротушения и эффективность пожаротушения быстротвердеющей пеной из вспененного геля кремнезема, а также доказывает, что все существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с техническим результатом, получаемым от использования изобретения.
Конкретные материалы, особенности конструкции и технологии изготовления огнетушителя и/или его отдельных деталей выбирают обычным образом применительно к конкретным условиям его эксплуатации.
Изготовление опытных образцов и показанные выше примеры испытаний в реальных условиях показали уверенное достижения технического результата.
В качестве отдельных элементов и узлов предлагаемого огнетушителя твердопенного тушения могут быть использованы различные известные в технике пожаротушения, материалы и конструктивные решения, обычно применяемые при изготовлении и применении огнетушителей.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.
Учитывая новизну существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, успешное решение поставленной изобретательской задачи и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленное изобретение удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.