ГЕНЕРАТОР ОГНЕТУШАЩЕГО ХЕМОКОНДЕНСАЦИОННОГО АЭРОЗОЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Изобретение относится к области противопожарной техники, а именно парогазодисперсному тушению пожаров класса A, B, C и может быть использовано на опасных производствах газовой, нефтяной, угольной, горнорудной, химической, атомной промышленности и на транспорте, в промышленных зданиях и сооружениях, складских помещениях, а также для противопожарной защиты дач, гаражей и офисов. Изобретение промышленно применимо в автоматических и автономных системах пожаротушения.
Уровень техники.
Известен модуль порошкового пожаротушения патент РФ №2283154 от 10.09.2006 г., содержащий корпус с крышкой, снаряженный термореагирующим огнетушащим порошковым составом (ТРОПС), внутри которого размещен газогенератор с инициатором, подключенным к системе сигнализации для принудительного инициирования газогенератора, причем соотношение
масс ТРОПС и газогенерирующего состава выбирается из соотношения:
,
где:
ггс
M - масса газогенерирующего состава, кг
тропс
M - масса термореагирующего состава, кг
гор
Q - теплота сгорания ггс, кДж/кг
Eакт - энергия активации ТРОПС, кДж/кг,
который выбран нами за прототип.
Недостатком устройства-прототипа является низкий выход ингибирующей дисперсной фазы (аэрозоля фосфорной кислоты и ее солей). В устройстве-прототипе доля выхода дисперсной фазы ингибитора составляет 0.08-0,63 от общей массы составов.
Раскрытие полезной модели
Целью данной полезной модели является создание генератора огнетушащего хемоконденсационного аэрозоля (ГОХА) с повышенным выходом дисперсной фазы ингибитора горения - ортофосфорной кислоты и/или ее солей.
Поставленная цель достигается тем, что генератор аэрозоля, содержащий емкость с крышкой, снаряженную жидким щелочным флегматизатором и газогенератором с инициатором, подключенным к системе пожарной сигнализации, отличается тем, что емкость с жидким щелочным флегматизатором имеет поршень, подвижный при работе газогенератора и соединенный штоком со вторым поршнем, находящимся в полости второй емкости с порошкообразным кислотным ингибитором горения, закрепленной над емкостью с жидким щелочным флегматизатором и соединенной трубной разводкой с коллектором, установленным на емкости с кислотным порошковым ингибитором, причем коллектор имеет кольцевое щелевидное сопло для подачи в процессе работы газогенератора жидкого щелочного флегматизатора на поверхность порошкового кислотного ингибитора горения.
3
2
Генератор отличается тем, что в качестве кислотного ингибитора используют пентоксид фосфора, а в качестве щелочного флегматизатора взят гидрат аммиака брутто формулы NH·nHO, где n=1.5÷3.
Генератор отличается тем, что газогенератор выполнен пиротехническим или баллонным со сжиженным газом.
Физическая сущность данного изобретения заключается в использовании внутренней энергии (энтальпии) исходных компонентов бинарного термореагирующего экзотермического состава при синтезе огнетушащего вещества.
Рассмотрим реакцию водного аммиака (гидрата аммиака) с пентоксидом фосфора:
3
2
4
10
4
2
4
1. 4NH·1,5HO+PO→4NHHPO+1726 кДж/кг
3
2
4
10
4
2
4
2
2. 4NH·3HO+PO→4NHHPO+6HO+1398 кДж/кг
Реакция идет в парогазовой фазе с образованием кластеров, которые конденсируются с образованием нанодисперсного аэрозоля фосфата аммония или его водного раствора в зависимости от концентрации водного аммиака и соотношения между щелочным и кислотным ингредиентом бинарного состава. Выход фосфата аммония по данному изобретению согласно приведенным уравнениям реакции составляет 0.81-1.0, по сравнению с устройством-прототипом выход фосфатного ингибитора 0.08-0,63, что в 1.28-12,5 раз превышает эффективность прототипа.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-3.
Фиг.1. изображает конструкцию генератора огнетушащего хемоконденсационного аэрозоля.
Основу конструкции ГОХА составляют два цилиндрических резервуара, расположенные соосно один над другим.
Резервуар, в котором содержится запас водного раствора аммиака, состоит из корпуса 1 в виде опрокинутого вверх дном стакана. Нижняя часть корпуса 1 закрыта днищем 12. В центре днища 12 в специальной резьбовой втулке устанавливается электровоспламенитель 28. Внутри резервуара расположен поршень 11. Шток 25 нижним торцом устанавливается в посадочное место на поршне 11 и фиксируется с помощью винта 30. Герметизация соединения штока с поршнем обеспечивается паронитовой прокладкой 23. Верхний конец штока 25 располагается в сквозном цилиндрическом отверстии донной части корпуса 1. Герметизация подвижных соединений поршня 11 и штока 25 с корпусом 1 осуществляется резиновыми уплотнительными кольцами 17 и 20.
На нижнем торце поршня 11 выполнено цилиндрическое углубление, в которое на герметике устанавливается шашка 26 из пиротехнического газогенерирующего состава.. В центре нижней незабронированной поверхности шашки расположена фиксируемая с помощью клеевого соединения таблетка 27 из воспламенительного состава. Совокупность шашки из газогенерирующего и таблетки из воспламенительного составов представляет собой заряд из пиротехнического твердого топлива, газообразные продукты сгорания которого используются для вытеснения исходных компонентов в камеру смешения ГОХА.
Резервуар, в котором содержится запас пентоксида фосфора, представляет собой цилиндрический корпус 4, устанавливаемый с помощью резьбового соединения на наружной части днища корпуса 1. Внутри корпуса 4 установлен поршень 10. Поршень 10 своим нижним торцом опирается на верхний торец штока 25. В результате этого при перемещении штока 25 вместе с поршнем 11 из нижнего положения в верхнее положение одновременно с ним будет перемещаться с такой же скоростью и поршень 10.
Герметизация внутреннего объема резервуара для хранения пентоксида фосфора осуществляется, с одной стороны, установкой в верхней части корпуса 4 мембраны 15, а с другой - с помощью резинового уплотнительного кольца 19, установленного в кольцевой канавке поршня 10. Мембрана 15 устанавливается в корпус 4 на герметике. В целях исключения попадания порошкообразного пентоксида фосфора 32 в канавку поршня 10 сверху на нем установлен фторопластовый кружок 9, предназначенный для очистки цилиндрической поверхности корпуса 4 от порошкообразного пентоксида фосфора.
В верхней части корпуса 4 расположен коллектор, предназначенный для суммирования поступающих в его внутренний объем через три трубы 14 потоков вытесняемого поршнем 11 из нижнего резервуара ГОТВ водного раствора аммиака. Трубы 14 устанавливаются на резьбе в днище корпуса 1. Уплотнение соединения осуществляется паронитовыми прокладками 24.
Коллектор состоит из поддона 5, закрепляемого в верхней части корпуса 4 с помощью гайки 6. В поддоне 5 выполнены 3 отверстия, в которые входят верхние концы труб 14. Уплотнение соединений труб 14 с поддоном 5 осуществляется посредством резиновых уплотнительных колец 18. Сверху на поддон 5 устанавливается крышка 2 и закрепляется с помощью шести болтов. Герметизация стыка между поддоном 5 и крышкой 2 осуществляется посредством рези нового уплотнительного кольца 20.
Для предотвращения самопроизвольного истечения водного раствора аммиака через трубы 14 при неработающем генераторе ГОХА на крышке 2 установлены клапанные узлы.
Фиг.2. изображает конструкцию клапанного узла.
Основу клапанного узла составляет затвор клапана 3, усилием предварительного сжатия пружины 8 прижатый плоским днищем к торцевой поверхности трубы 14. Для обеспечения герметичности контакта затвора и трубы на торец затвора приклеен кружок “А” из листовой резины. Настройка требуемого усилия предварительного сжатия пружины 8 производится с помощью винта 29, усилие от которого передается на торец пружины 8 посредством диска 7. Уплотнение подвижного соединения затвора 3 с крышкой 2 осуществляется посредством резинового уплотнительного кольца 17.
Наличие клапанных узлов в сочетании с другими конструктивными элементами, описанными ранее, позволяет обеспечить полную герметичность резервуара для хранения водного раствора аммиака при неработающем генераторе ОХА. Фиг.3. изображает конструкцию щелевого сопла (кольцевой щели) А для подачи водного раствора аммиака в камеру смешения Б.
Специальным образом спрофилированные кромки крышки коллектора 2 и верхнего торца корпуса 4 (фиг.1) образуют кольцевую щель, через которую водный раствор аммиака, при соответствующих условиях, в виде сходящейся конусной жидкой пелены подается в камеру смешения исходных компонентов.
На резьбовую часть камеры смешения «А» после стендовой отработки генератора ОТВ будет устанавливаться распылительная головка, конструкция которой должна обеспечивать образование облака огнетушащего вещества оптимальной конфигурации.
Осуществление полезной модели
Принцип действия генератора огнетушащего хемоконденсационного аэрозоля становится во многом ясным после ознакомления с описанием его конструкции.
Перед приведением ГОХА в действие он должен быть установлен и закреплен в положении, близком к вертикальному, так, чтобы камера смешения располагалась вверху.
Запуск ГОХА осуществляется путем подачи электрического импульса на электровоспламенитель 28. После срабатывания электровоспламенителя продукты сгорания инициирующего состава воздействуют на таблетку 27 из воспламенительного состава. Воспламенительный состав сгорает и своими продуктами сгорания воспламеняет по торцевой поверхности шашку 26 из газогенерирующего состава. Газообразные продукты горения воспламенительного пиротехнического и газогенерирующего составов заполняют свободный объем между поршнем 11 и днищем 12. Давление газов в указанном объеме повышается, но поршень 11 пока остается неподвижным, поскольку водный раствор аммиака поз.33 находится в замкнутом объеме. Когда давление жидкости достигнет некоторого заданного уровня, определяемого настройкой усилия предварительного сжатия пружин 8 в клапанных узлах, затворы клапанов отходят от торцов труб 14 и жидкость, заполнив внутренний объем коллектора, начинает истекать через кольцевое щелевое сопло «А» (фиг.3) в камеру смешения «Б». Поршень 11 вместе со штоком 25 начинает двигаться вверх. Скорость перемещения поршня 11 определяется объемным расходом водного раствора аммиака через кольцевое сопло. Шток 25 своим верхним торцом толкает поршень 10, который, в свою очередь, начинает перемещать весь объем порошкообразного пентоксида фосфора 33 вверх до упора в мембрану 15. Когда усилие на мембрану со стороны засыпки порошка превысит величину, при которой разрушается клеевой шов между мембраной 15 и корпусом 4, происходит сброс мембраны 15, и столб порошкообразного пентоксида фосфора 31 вновь начинает двигаться вверх. По мере подъема порошка на него начинает воздействовать коническая тонкостенная струя водного раствора аммиака. Гидродинамическое воздействие струи жидкости на порошок пентоксида фосфора обеспечивает его унос в зону камеры смешения, где после смачивания каждой частицы пентоксида фосфора водным раствором аммиака начинает протекать экзотермическая реакция химического взаимодействия между исходными компонентами, которая завершается образованием огнетушащего аэрозоля - дисперсного фосфата аммония.
Поскольку конструктивное оформление заряда из пиротехнических составов или баллон со сжиженным газом обеспечивает практически постоянную массовую скорость образования газа, скорость перемещения поршней 10 и 11 также остается постоянной в течение всего времени работы ГОХА.
Соотношение массовых расходов водного раствора аммиака и пентоксида фосфора в камеру смешения также будет оставаться постоянным при любых скоростях движения поршней 10 и 11, поскольку оно определяется только соотношением площадей поперечного сечения резервуаров для хранения исходных компонентов.
Работа ГОХА заканчивается, когда поршень 11 в процессе своего движения вверх упирается в донную часть корпуса 1. Движение поршня 11 прекращается, а это означает, что и вытеснение водного раствора аммиака 33 завершается.
Для того чтобы после окончания работы ГОХА не происходило дальнейшего роста давления газообразных продуктов сгорания заряда в полости
между поршнем 11 и днищем 12, высота шашки 26 из газогенерирующего состава в заряде выбрана такой, чтобы время его горения было немного меньше времени вытеснения водного раствора аммиака.
Для лучшего понимания процесса функционирования ГОХА ниже представлена математическая модель работы генератора.
Под математической моделью функционирования ГОХА понимается совокупность уравнений, описывающих процессы, протекающие при работе заявляемого устройства.
Модель функционирования ГОХА описывает следующие процессы.
1. Массовые скорости газификации пиротехнических составов, из которых состоит заряд, в условиях изменяющегося давления в полости под поршнем 11.
В условиях, когда площади поверхностей горения пиротехнических элементов заряда 26 не изменяются во времени, массовая скорость газификации каждого элемента однозначно определяется зависимостью линейной скорости горения U пиротехнического состава от давления.
o
ν
U=U-P
где: U - линейная скорость горения пиротехнического состава в условиях камеры сгорания;
o
U - скорость горения пиротехнического состава при атмосферном давлении;
P - текущее давление в камере сгорания;
ν - показатель степени в эмпирическом законе скорости горения.
2. Теплообмен между газообразными продуктами сгорания заряда и стенками резервуара для хранения водного раствора аммиака в условиях переменной площади стенок и притока горячих газообразных продуктов сгорания заряда в полость под поршнем 11.
G
S
Φ=α-S·(T-T),
где: Φ - тепловой поток от газовой фазы в стенки корпуса;
α - коэффициент теплоотдачи;
S - площадь поверхности, сквозь которую происходит передача теплоты;
G
T - температура газовой фазы;
S
T - температура стенки корпуса.
3. Изменение состава и свойств газообразных продуктов сгорания заряда в полости под поршнем 11.
A
B
CM
Поскольку в полости под поршнем 11 одновременно находятся продукты сгорания воспламенительного и газогенерирующего составов, термодинамические свойства смеси будут зависеть от массового соотношения газообразных продуктов сгорания разных составов. Если обозначить некоторое свойство (например, удельную газовую постоянную) газообразных продуктов сгорания газогенерирующего состава через R, а продуктов сгорания воспламенительного состава - через R, то удельная газовая постоянная смеси этих продуктов R будет определяться следующим образом:
CM
A
B
R=α·R+(1-α)-R,
где: α - относительная массовая доля в смеси газообразных продуктов сгорания газогенерирующего состава.
4. Зависимость массового расхода водного раствора аммиака от перепада давления на кольцевом щелевом сопле коллектора.
где:  - массовый расход водного раствора аммиака;
µ - коэффициент расхода;
f - площадь проходного сечения щелевого сопла;
ΔP - перепад давления на щелевом сопле;
ρ - плотность жидкой фазы.