Генератор огнетушащего аэрозоля
FIRE EXTINGUISHING AEROSOL GENERATOR

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к генераторам огнетушащего аэрозоля (ГОА), действие которых основано на использовании в качестве ингибиторов горения высокодисперсных твердых частиц - аэрозоля, образующегося при горении пиротехнической композиции и выделяющегося в защищаемый объем.
Из уровня техники известен ГОА по патенту РФ №2140310 (опубл. 27.10.1999 г.), содержащий корпус, закрытый крышкой, снабженной воспламенителем и распределенными по окружности сквозными отверстиями, шашку аэрозолеобразующего состава, теплоизолирующую прослойку, цилиндр охлаждения с диаметром, превышающим диаметр корпуса.
Известный ГОА реализует недостаточное охлаждение воздухом, эжектируемым через кольцевой зазор между корпусом и цилиндром, высокотемпературных аэрозольных струй при их движении параллельно стенкам корпуса после выхода из отверстий в крышке ГОА. Как следствие, размеры высокотемпературных зон за пределами ГОА будут существенными. Уменьшение высокотемпературных зон можно обеспечить только значительным увеличением габаритных размеров известного генератора, что экономически нецелесообразно.
Раскаленные конденсированные шлаки и прочие механические примеси в виде несгораемых остатков от теплозащитного покрытия, шашки аэрозолеобразующего состава и т.п. беспрепятственно поступают вместе с мелкодисперсными частицами огнетушащего аэрозоля в защищаемую зону, тем самым увеличивая размеры пожароопасных зон.
Кроме того, собственно огнетущащий аэрозоль недостаточно «чистый», следовательно, вероятность сохранения целостности не затронутого огнем оборудования при контакте с различного рода примесями, содержащимися в огнетушащем аэрозоле, понижается.
Из-за отсутствия каких-либо мер по охлаждению корпуса в зоне ресивера и в области освободившегося участка корпуса при послойном сгорании шашки аэрозолеобразующего состава, прогрев наружной поверхности корпуса от прямого воздействия высокотемпературных аэрозольных продуктов горения шашки произойдет достаточно быстро, даже при наличии теплоизолирующей прослойки, вплотную контактирующей с внутренней стенкой корпуса. Таким образом, корпус может нагреться до температуры воспламенения пожароопасных предметов, находящихся вблизи ГОА вне зоны действия пожаротушащего аэрозоля. При этом пожароопасная температура корпуса будет сохраняться и после окончания работы ГОА.
К недостаткам аналога следует отнести использование для теплоизоляции корпуса строительного гипса, содержащего значительное количество воды, которая как отмечают авторы аналога, способствует охлаждению продуктов сгорания. При формировании гипсовой теплозащитной прослойки часть воды находится не в виде кристаллогидратов, а в свободном состоянии, и при испарении создает внутри объема генератора влажность, близкую к 100%, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках шашки аэрозолеобразующего состава и генератора в целом и приводит к заметному снижению гарантийных сроков хранения ГОА. Во избежание этого требуются специальные меры по герметизации аэрозолеобразующей шашки, что усложняет конструкцию изделия.
При этом следует отметить, что в силу своей неэластичности гипс не может компенсировать воздействие вибрации на шашку аэрозолеобразующего состава, что может повлечь ее разрушение при воздействии на ГОА транспортных нагрузок или при использовании ГОА в местностях повышенной сейсмической активности.
То есть известная конструкция обладает пониженными характеристиками надежности при хранении и эксплуатации, и, следовательно, эксплуатационными возможностями, а также низкой эффективностью пожаротушения, обусловленной существенными размерами пожароопасных и высокотемпературных зон, из-за недостаточной конструктивной проработки охлаждения пожаротушащего аэрозоля и корпуса ГОА.
Из уровня техники известен принятый за прототип ГОА по патенту №2635899 (опубл. 16.11.2017 г.), содержащий корпус, закрытый крышкой, снабженной воспламенителем и распределенными по окружности сквозными отверстиями, шашку аэрозолеобразующего состава, теплоизолирующую прослойку из термостойкого эластичного материала, камеру сгорания, сформированную свободным объемом корпуса между шашкой и крышкой, завихритель в виде диска с трапециевидными пластинами, выполненными с ним за одно целое, плоскость каждой из которых размещена под углом к оси диска, а количество соответствует количеству сквозных отверстий в крышке, цилиндр охлаждения с диаметром, превышающим диаметр корпуса, установленное на выходе из цилиндра охлаждения стопорное кольцо, площадь проходного сечения которого больше или равна площади проходного сечения эжекционного средства.
Прототип реализует недостаточное охлаждение высокотемпературных аэрозольных струй воздухом, поступающим через эжекционное средство, представляющее собой кольцевой зазор между корпусом и цилиндром охлаждения. При попадании аэрозольных продуктов горения шашки в наклонные каналы сквозных отверстий крышки и последующего соударения образованных аэрозольных струй с пластинами завихрителя, находящимися на значительном удалении от выходных сечений отверстий, происходит торможение аэрозольного потока. В результате уменьшается его кинетическая энергия, что снижает количество подсасываемого снаружи в цилиндр охлаждения воздуха и, как следствие, из ГОА в защищаемый объем поступает недостаточно охлажденный пожаротушащий аэрозоль, что, в свою очередь, существенно увеличивает высокотемпературные зоны.
В прототипе отсутствует охлаждение корпуса в зоне камеры сгорания, что приводит к повышению его температуры в этой области, кроме того, при сгорании шашки аэрозолеобразующего состава происходит выгорание теплоизолирующей прослойки, вплотную контактирующей с внутренней стенкой корпуса, что является причиной увеличения температуры корпуса в области, освободившейся от защиты. Такое увеличение температуры корпуса существенно расширяет пожароопасные и высокотемпературные зоны рядом с корпусом, не доступные для пожаротушащего аэрозоля.
Кроме того, потери скорости движения аэрозоля, из-за конструктивных особенностей прототипа, обусловливают активный процесс конгломерации частиц в налипших на пластины завихрителя твердых и жидких шлаков, что увеличивает физические потери пожаротушащего аэрозоля.
Таким образом, известная конструкция, взятая за прототип, обладает недостаточно высокой эффективностью пожаротушения за счет конструктивно обусловленной невозможности существенно уменьшить высокотемпературные и пожароопасные зоны, а также снизить физические потери пожаротушащего аэрозоля.
Задачей настоящего технического решения является создание генератора огнетушащего аэрозоля, позволяющего повысить эффективность пожаротушения за счет существенного уменьшения высокотемпературных и пожароопасных зон путем комплексного (воздушного и механического) снижения температуры, соответственно, пожаротушащего аэрозоля на выходе из ГОА и наиболее горячих поверхностей корпуса, при одновременном снижении физических потерь пожаротушащего аэрозоля путем создания условий по ускорению движения аэрозольного потока по криволинейной траектории в пределах внутреннего объема цилиндра охлаждения.
При этом заявляемое техническое решение сохраняет достоинства прототипа в части высоких прочностных параметров генератора в период его хранения и при более жестких режимах эксплуатации (транспортные нагрузки, сейсмичность).
Поставленная задача решается предлагаемым генератором огнетушащего аэрозоля, содержащим корпус, закрытый крышкой, снабженной воспламенителем и распределенными по окружности сквозными отверстиями, шашку аэрозолеобразующего состава, теплоизолирующую прослойку из термостойкого эластичного материала, камеру сгорания, сформированную свободным объемом корпуса между шашкой и крышкой, завихритель в виде диска с трапециевидными пластинами, выполненными с ним за одно целое, плоскость каждой из которых размещена под углом к оси диска, а количество соответствует количеству сквозных отверстий в крышке, цилиндр охлаждения с диаметром, превышающим диаметр корпуса, установленное на выходе из цилиндра охлаждения стопорное кольцо, площадь проходного сечения которого больше или равна площади проходного сечения эжекционного средства. Особенность заключается в том, что передняя часть корпуса снаружи оснащена коаксиально установленной обечайкой, цилиндр охлаждения снабжен усеченным конусом, расширяющимся в сторону передней части корпуса, эжекционное средство представляет собой совокупность кольцевых зазоров между корпусом и обечайкой и между обечайкой и усеченным конусом цилиндра охлаждения, шашка размещена в металлической оболочке, теплоизолирующая прослойка расположена между шашкой и оболочкой, оболочка установлена коаксиально в корпусе с зазором, между боковыми и донными поверхностями оболочки и корпуса установлены эластичные нетеплопроводные прокладки, завихритель жестко без зазора закреплен на крышке корпуса, каждая пластина завихрителя выполнена сплошной или снабжена сквозным отверстием, ось симметрии канала которого перпендикулярна плоскости пластины, при этом ось симметрии канала каждого сквозного отверстия крышки перпендикулярна ее плоскости, в стенке корпуса воспламенителя выполнены отверстия, а к его донной части прикреплен эластичный элемент, поджимающий открытый торец шашки.
В частности, отношение длины канала каждого сквозного отверстия крышки к его диаметру составляет 0,6-2,5.
В частности, диаметр сквозного отверстия в каждой пластине в 2-4 раза меньше диаметра каждого сквозного отверстия крышки.
В частности, угол наклона каждой пластины завихрителя к плоскости диска и плоскости крышки составляет 40-65°, при этом контур отверстия в каждой пластине со стороны крышки полностью проецируется внутрь контура соответствующего ему сквозного отверстия в крышке.
В частности, в камере сгорания установлен защитный экран, геометрия и позиционирование которого исключают контакт передней части корпуса с высокотемпературными аэрозольными продуктами горения шашки при их движении к отверстиям в крышке.
Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемый ГОА отличается от прототипа размещением шашки в металлической оболочке, установленной в корпусе коаксиально с воздушным зазором; наличием в зазоре эластичных нетеплопроводных прокладок; размещением теплоизолирующей прослойки между шашкой и оболочкой (в прототипе - вплотную к корпусу); выполнением канала каждого из сквозных отверстий шашки без наклона (в прототипе - с наклоном); оснащением передней части корпуса снаружи коаксиально установленной обечайкой; наличием усеченного конуса, расширяющегося в сторону передней части корпуса, которым снабжен цилиндр охлаждения; иным выполнением эжекционного средства в виде совокупности кольцевых зазоров между корпусом и обечайкой и между обечайкой и усеченным конусом цилиндра охлаждения (в прототипе - кольцевой зазор между корпусом и цилиндром охлаждения); иным позиционированием завихрителя - он жестко без зазора закреплен на крышке корпуса (в прототипе - завихритель жестко закреплен на корпусе воспламенителя с образованием зазора между плоскостью его диска и плоскостью крышки); пластины завихрителя направлены от диска только в сторону цилиндра охлаждения (в прототипе - часть пластин направлена в сторону крышки); вариативностью выполнения пластин - сплошные или с отверстием в зависимости от существующей потребности в увеличении скорости движения аэрозольного потока во внутреннем пространстве цилиндра охлаждения (в прототипе - только сплошные); наличием отверстий в стенке корпуса воспламенителя; наличием эластичного элемента, поджимающего открытый торец шашки; возможностью дополнительного охлаждения корпуса с помощью установки защитного экрана в камере сгорания.
Именно совокупность отличительных от прототипа признаков заявляемого решения с остальными существенными признаками позволила достичь вышеуказанного комплекса преимуществ, который невозможно получить при реализации прототипа, и решить поставленную задачу.
Предлагаемый ГОА иллюстрируется графическими изображениями:
Фиг. 1 - продольный разрез генератора огнетушащего аэрозоля;
Фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
Фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2;
Фиг. 4 - фотография завихрителя с отверстиями в пластинах и видимыми отверстиями в крышке.
Генератор огнетушащего аэрозоля содержит корпус 1 закрытый крышкой 2, снабженной воспламенителем 3 и распределенными по окружности сквозными отверстиями 4, ось симметрии канала каждого из которых перпендикулярна плоскости крышки 2, шашку аэрозолеобразующего состава 5, размещенную металлической оболочке 6, установленной в корпусе 1 коаксиально с зазором, в котором размещены эластичные нетеплопроводные прокладки 7 (например, из силикона), теплоизолирующую прослойку 8 из термостойкого эластичного материала, например из термостойкого силиконового компаунда (ТУ 2513-267-40245042-2010, производитель ООО «КС») или автомобильного силиконового герметика (ТУ 2384-031-05666764-96, производитель Казанский завод синтетического каучука), расположенную между шашкой 5 и оболочкой 6, камеру сгорания 9, сформированную свободным объемом корпуса 1 между шашкой 5 и крышкой 2, завихритель в виде диска 10 с трапециевидными пластинами 11, выполненными с ним за одно целое, закрепленный жестко без зазора на крышке 2 корпуса 1, цилиндр охлаждения 12, диаметр которого превышает диаметр корпуса 1. Количество пластин 11 соответствует количеству сквозных отверстий в крышке 2. Пластины 11 завихрителя выполнены сплошными или со сквозным отверстием 13 каждая, при этом ось симметрии канала каждого отверстия 13 перпендикулярна плоскости пластины 11. Цилиндр охлаждения 12 снабжен усеченным конусом 14, расширяющимся в сторону корпуса 1. Передняя часть корпуса 1 снаружи оснащена коаксиально установленной обечайкой 15. Кольцевой зазор 16 между корпусом 1 и обечайкой 14 в совокупности с кольцевым зазором 17 между обечайкой 15 и усеченным конусом 14 цилиндра охлаждения 12 формируют эжекционное средство. На выходе из цилиндра охлаждения 12 установлено стопорное кольцо 18, площадь проходного сечения которого больше или равна площади проходного сечения эжекционного средства. В стенке корпуса воспламенителя 3 выполнены отверстия 19, а к его донной части прикреплен эластичный элемент 20, например, из силикона, поджимающий открытый торец шашки 5.
В частности, в камере сгорания 9 для реализации возможности дополнительного охлаждения корпуса 1 устанавливают уменьшающий камеру сгорания 9 защитный экран 21, геометрия и позиционирование которого исключают контакт передней части корпуса 1 с высокотемпературными аэрозольными продуктами горения шашки 5 при их движении к отверстиям 4 в крышке 2.
Эластичные нетеплопроводные прокладки 7, теплоизолирующая прослойка 8 из термостойкого эластичного материала, эластичный элемент 20 надежно фиксируют положение шашки 5 аэрозолеобразующего состава в корпусе 1 ГОА, обеспечивают гашение ударных или вибрационных нагрузок, а также, совместно с увеличенным эжекционным средством и защитным экраном (при необходимости), способствуют снижению температуры корпуса 1.
Предпочтительно выдерживать отношение длины канала каждого сквозного отверстия 4 крышки 2 к его диаметру на уровне 0,6-2,5.
При указанном отношении более 2,5 создается концентрированная высокотемпературная аэрозольная струя, слабораспыляющаяся при обтекании наклонных пластин 11 завихрителя, в результате чего большое количество раскаленных конденсированных шлаков и прочих механических примесей выносится за пределы цилиндра охлаждения 12 и попадает в защищаемый ГОА объем, увеличивая размеры высокотемпературных и пожароопасных зон.
При указанном отношении менее 0,6 скорость образовавшихся аэрозольных струй после обтекания наклонных пластин 11 недостаточно высокая для обеспечения эжекции воздуха в объеме, необходимом для охлаждения аэрозольных струй.
Предлагаемый генератор огнетушащего аэрозоля работает следующим образом. После подачи электрического импульса на выводы инициатора происходит воспламенение пиротехнического заряда воспламенителя 3. Под действием теплового импульса от газов, выходящих через отверстия 19 в стенке корпуса воспламенителя 3, инициируется шашка 5 аэрозолеобразующего состава. При горении шашки 5 в камере сгорания 9 происходит формирование огнетушащего аэрозоля, который выходя из выходных сечений отверстий 4 в крышке 2 в виде струй, не теряя скорости (в отличие от прототипа, где скорость терялась на преодоление расстояния между крышкой и диском завихрителя, а также на прохождение наклонных каналов сквозных отверстий в крышке), ударяется о наклонные пластины 11 завихрителя, при этом количество мелкодисперсных частиц в огетушащем аэрозоле сохраняется, струи распыляются, изменяя направление движения в сторону стенки цилиндра охлаждения 12, выходят вначале в усеченный конус 14 цилиндра охлаждения 12, где равномерно перемешиваются с воздухом, а затем, продолжая свое движение в цилиндре охлаждения 12 по криволинейной траектории и продолжая смешиваться с воздухом, эжектируемым из защищаемого объема через кольцевые зазоры 16 и 17, интенсивно охлаждаются. Скорость движения аэрозольных струй, после их выхода из отверстий 4 в крышке 2, можно существенно увеличить при оснащении пластин 11 сквозными отверстиями 13. В этом случае часть каждой струи аэрозоля будет обтекать пластины 11, а часть каждой струи будет проходить через узкое отверстие 13 в каждой пластине 11, ускоряясь при этом.
Раскаленные конденсированные шлаки и прочие механические примеси размытыми пятнами небольшой толщины осаждаются на стенке цилиндра охлаждения 12, посредством потока воздуха и теплоотдачи в стенку цилиндра 12 интенсивно охлаждаются, переходят из расплавленного состояния в твердое и в виде налипших частиц остаются на стенке цилиндра 12. Часть конденсированных частиц, продолжающих свое движение по стенке цилиндра 12 по винтовой линии, тормозятся стопорным кольцом 18. В результате в защищаемую зону поступает более чистый, по сравнению с прототипом, свободный от раскаленных примесей аэрозоль, позволяющий максимально уменьшить размеры высокотемпературных и пожароопасных зон. Аэрозоль, вырабатываемый заявляемой конструкцией генератора, не портит оборудование, так как остатки аэрозоля после пожаротушения оседают на оборудовании в виде легко удаляемого порошка.
Проведенные испытания показали, что заявляемый ГОА, снаряженный шашкой массой 1,1 кг, имеет следующие основные показатели:
- время выпуска огнетушащего аэрозоля - 10 с;
- размеры зон, образующихся при работе ГОА, с температурой больше:
а) 75°С - 1,1 м;
б) 150°С - 0,5 м;
в) 200°С - 0,15 м;
- размеры зон пожароопасности для горючих веществ по классам А, В:
а) от струи огнетушащего аэрозоля - 0,9 м;
б) от корпуса ГОА - отсутствуют;
3
- огнетушащая способность ГОА при тушении пожаров классов А, В и Е - 0,02 кг/м;
3
- огнетушащая эффективность используемого аэрозолеобразующего состава - 0,018 кг/м;
3
- максимальный защищаемый объем условно герметичного помещения - 55 м;
- гарантийный срок хранения ГОА - 12 лет.
В сравнении с прототипом заявляемый ГОА обеспечивает более быстрый выпуск огнетушащего аэрозоля и защиту большего максимального защищаемого объема условно герметичного помещения. Предлагаемый ГОА, при том что снаряжен шашкой аэрозолеобразующего состава, масса которой в три раза больше массы шашки прототипа, позволяет достичь размеров высокотемпературных и пожароопасных зон, сопоставимых с размерами указанных зон, образующихся при работе прототипа.
Генератор огнетушащего аэрозоля заявляемой конструкции был подвергнут виброиспытаниям в условиях жесткого крепления к подвижной плите виброустановки при следующем режиме: перегрузка - 5g; частота - 46 Гц; амплитуда - 0,6 мм; время испытания - 16 ч, что соответствует имитации транспортирования автомобильным транспортом на расстояние 16 тысяч км. Испытания после воздействия вибронагрузок подтвердили работоспособность ГОА.
Таким образом, предлагаемый генератор огнетушащего аэрозоля практически реализуем, позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.