ГЕНЕРАТОР ГОРЯЩИХ И ТЛЕЮЩИХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а именно, к устройствам локализации и тушения природных пожаров, и может быть использована для изучения проникновения обгоревших частиц в вентиляционные отверстия, уязвимости элементов кровли и других элементов зданий и сооружений.
Известна установка «NIST Dragon» разработанная в Национальном институте стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, USA), позволяющая генерировать тлеющие и горящие органические частицы, которые образуются в результате природных пожаров. Краткое описание устройства представлено в [1]. Установка имеет рабочую часть, изготовленную из оцинкованной стали, вентилятор мощностью 1,5 кВт (модель Pb-12a CINCINNATI Fan); бензиновый электрогенератор; гибкий рукав, соединенный с вентилятором (диаметр рукава 15 см, длина 162 см); две пропановые горелки (фирма BernzOmatic, модель JT 681), соединенные медной трубкой с источником пропанового газа с регулятором; огнеупорную сетку, защищающую горелку от потухания вследствие попадания частиц горючего материала.
Недостатком описанного технического решения является увеличенное время подготовки к экспериментами из-за отсутствия приемного бункера для загрузки природного горючего материала (ПГМ). Для загрузки ПГМ необходимо снятие верхней части установки, что влечет увеличение трудозатрат. Отметим также ненадежность конструкции и низкий ресурс работы рабочей части генератора, изготовленной из тонкой стали (толщина стенок 0,8 мм), способной деформироваться или разрушиться при высоких температурах эксплуатации.
Известна установка «Continuous Feed Baby Dragon» (генератор горящих частиц в уменьшенном масштабе) для проведения экспериментальных исследований по генерации горящих и тлеющих органических частиц в лабораторных условиях [2]. Установка имеет приемный бункер для загрузки природного горючего материала, вентилятор мощностью 0,4 кВт, пропановую горелку, соединенную медной трубкой диаметром 0,635 см с источником газа. Все компоненты изготовлены также из оцинкованной или нержавеющей стали толщиной 0,8 мм, за исключением гибкого шланга для подачи газовой смеси. Подача ПГМ в генератор горящих частиц осуществляется специальным конвейером (конвейер является самостоятельным устройством, не входящим в состав установки).
Недостатком описанного технического решения является ненадежность конструкции и низкий ресурс работы основной (рабочей) части генератора, изготовленной из тонкой стали (0,8 мм), способной деформироваться или разрушиться при высоких температурах эксплуатации, т.к. внутри рабочей части установки температуры достигают 1200°С.
Для исследования аэродинамических характеристик частиц, образующихся во время природных пожаров, в Национальном институте стандартов и технологий (США) создана установка «Dragon's LAIR», которая позволяет исследовать вертикальный перенос частиц и воспламенение различных конструкций под их воздействием [3]. Комплекс «Dragon's LAIR» представляет собой уменьшенный в масштабе генератор горящих частиц Baby Dragon с уменьшенной в масштабе аэродинамической трубой.
Недостатком описанного технического решения является ненадежность конструкции и низкий ресурс работы рабочей части генератора, изготовленной из тонкой стали (0,8 мм), способной деформироваться или разрушаться при многоразовой или длительной эксплуатации (внутри рабочей части установки температуры могут достигать 1200-1400°С).
На основе конструкции «NIST Dragon» в Португалии разработан генератор горящих частиц «Firebrand Generator Device» [4]. Загрузка горючего материала, моделирующего горящие и тлеющие частицы, производится периодически сбоку прибора в специально выведенную воронку.
Недостатком устройства является невозможность длительной непрерывной подачи ПГМ для моделирования так называемого «огненного дождя», представляющего собой падающие горящие и тлеющие частицы, и его влияния на зажигание напочвенного покрова и горючих конструкционных элементов строений.
Следует отметить, что характерным недостатком конструктивного исполнения большинства представленных устройств является отсутствие возможности длительной непрерывной подачи горючего материала, а также низкий ресурс работы при высоких температурах. Известно, что при реальных пожарах на природно-урбанизированной территории такое явление как «огненный дождь» может продолжаться несколько часов [5].
Наиболее близким к заявляемому объекту по конструкции и назначению является генератор горящих частиц «Full scale continuous Firebrand Dragon» [6]. Он имеет устройство для непрерывной подачи горючего материала, соединенное с основным корпусом установки, рабочую часть, изготовленную из оцинкованной стали, центробежный вентилятор (Модель Pb-12a CINCINNATI Fan), бензиновый электрогенератор, гибкий рукав, соединенный с вентилятором, две пропановые горелки (фирма BernzOmatic, модель JT 681), соединенные медной трубкой с источником горючего газа с регулятором расхода. Горелки оборудованы огнеупорной сеткой, защищающей горелку от потухания вследствие попадания частиц горючего материала. Генератор выбран за прототип.
К недостатку прототипа следует отнести ненадежность конструкции (низкий ресурс работы) рабочей части генератора, изготовленной из стали толщиной 0,8 мм, способной деформироваться или разрушаться при многоразовой или длительной эксплуатации, поскольку внутри рабочей части установки температуры достигают 1000-1400°С, сложность профилактических и ремонтных работ. Эти недостатки следует устранить.
Задачей, которую решает полезная модель, является повышение надежности и долговечности работы устройства за счет повышения устойчивости к длительному температурному воздействию и уменьшения тепловых потерь.
Поставленная задача решается изменением конструкции генератора горящих частиц.
Предложен генератор горящих и тлеющих частиц, содержащий, как и прототип, раму, закрепленную на ней проточную рабочую часть, оборудованную топкой, газовой горелкой, системой поджига и измерительными окнами. Устройство имеет шнековый дозатор с электроприводом для подачи горючего материала в топку и центробежный вентилятор, соединенный своим выходом с проточной рабочей частью. В отличие от прототипа, проточная рабочая часть выполнена из стальных труб толщиной не менее 4-5 мм, устойчивых к длительному высокотемпературному воздействию, а топка выполнена с футеровкой стенок высокотемпературным теплоизолятором. В одном из конкретных воплощений генератор горящих и тлеющих частиц может иметь рабочую часть, включая топку, выполненную из отрезков труб, соединенных между собой фланцами.
Отличительные признаки устройства:
1. Бункер для загрузки частиц имеет в своем основании шнековый механизм для непрерывной подачи частиц в зону розжига генератора. Шнек может приводиться во вращение электродвигателем или вручную.
2. Внутренняя часть топки генератора горящих частиц для уменьшения тепловых потерь выполнена с футеровкой.
3. Система поджига обеспечивает дистанционный электроподжиг.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 показан общий вид генератора горящих и тлеющих частиц. На фиг 2 показан корпус генератора с топкой. На фиг 3 показан приемный бункер генератора.
Цифрами на рисунках обозначены: 1 - рама в сборе; 2 - корпус с топкой; 3 -приемный бункер; 4 - шнековый дозатор; 5 - канальный вентилятор; 6 - газовая горелка; 7 - рычаг подачи газа на горелку; 8 - фланцевые соединения, 9 - система поджига горючей смеси; 10 -шланг подачи газа; 11 - электромотор привода; 12 - топка; 13 -измерительные окна; 14 - выход горящих и тлеющих частиц; 15 - футеровка.
Футеровка стенок, например, из смеси алюминиевой пудры, клея КФФГ и армирующей сетки из коррозионностойкой проволоки, использована для уменьшения тепловых потерь и сокращения времени выхода установки на рабочий режим. Фланцевые соединения 8 обеспечивают герметичные стыки при одновременной простоте ремонтных и профилактических работ.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Включается подача воздуха в проточную рабочую часть 2 на малых оборотах вентилятора 5 со скоростью потока воздуха не более 1 м/с.Отворачивается на 1.5-2 оборота вентиль подачи газа на баллоне, далее, нажимая на рычаг подачи газа на горелке 7, осуществляют малую подачу газа в рабочую часть 2. Производится поджиг горючей смеси в рабочей части 2 с помощью дистанционной системы 9. После поджига увеличивается подача газа, прогревается в течение 2-5 минут внутренняя полость топки 12. Затем увеличивают обороты вентилятора подачи воздуха до 5-6 м/с.Увеличивают подачу горючего газа. Включают привод шнека 11 для подачи горючего материала из бункера 3 в топку 12 и снова добавляют подачу воздуха до требуемого расхода. Привод шнека для подачи горючего материла из бункера в топку можно осуществлять путем проворачивания вала шнека вручную, отключив при этом питание электромотора привода 11.
2
Предлагаемый генератор горящих и тлеющих частиц подготавливают к работе в следующей последовательности. Перед запуском установки необходимо поместить генератор в безопасном месте на огневой площадке 10×10 метров на открытой местности или в металлическом ангаре, руководствуясь, в первую очередь, противопожарными мерами безопасности. Оператору подготовить площадку с образцами растительных горючих материалов или иным объектом огневого воздействия для изучения процессов зажигания. Подготовить средства пожаротушения: емкость с водой, огнетушитель, шланг подачи воды. Подготовить аппаратуру видео и фотосъемки, приборы регистрации данных и сбора обгоревших образцов. Подключить заземление проводником с сечением не менее 1,5 мм к раме 1 генератора. После этого на установку подают электропитание.
Непосредственно при проведении эксперимента задействовано не менее 3-х человек. Устанавливается баллон с газом на расстоянии не менее 3 метров от установки, подсоединяется шланг подачи газа 10 к горелке 6. Ответственный за проведение экспериментов производит поджиг горючей смеси. Первый оператор занимается подачей горючего газа, регулировкой и отключением его подачи. Второй оператор занимается загрузкой горючего материала в бункер 3, включением привода шнека 4, наблюдает за подачей горючих материалов в рабочую часть 2.
Работа генератора осуществляется следующим образом.
Включить подачу воздуха на малых оборотах вентилятора 5 со скоростью потока воздуха не более 1 м/с.Отвернуть на 1.5-2 оборота вентиль подачи газа на баллоне, далее нажимая слегка на рычаг подачи газа на горелке 7 осуществить малую подачу газа в рабочую часть 2. Произвести поджиг горючей смеси с помощью дистанционной системы 9. После поджига увеличить подачу газа, прогреть в течение 2-5 минут внутреннюю полость топки. Затем увеличить обороты вентилятора и скорость подачи воздуха до 5-6 м/с.Увеличить подачу горючего газа. Включить привод шнека 11 для подачи горючего материала из бункера 3 в топку 12. Привод шнека для подачи горючего материла из бункера в топку можно осуществлять путем проворачивания шкива на оси вала шнека вручную, отключив при этом питание электромотора 11. Добавить подачу воздуха до максимума.
Пример конкретного исполнения.
При соблюдении указанных подготовительных работ и технических параметров на выходе из рабочей части появится пламя и будут вылетать горящие и тлеющие частицы образцов горючих материалов. В результате испытаний установки установлено, что горящие частицы коры сосны или веточек сосны летят на расстояние 5-10 метров в зависимости от скорости набегающего воздушного потока [7]. Данный диапазон позволяет проводить натурные эксперименты по воздействию горящих частиц на напочвенный покров, кроме того моделировать условия воздействия горящих частиц, образующихся во фронте пожара, на конструкционные материалы (кровли, заборы, стены).
Использование предлагаемого генератора в экспериментах позволит создать математическую модель природных пожаров и продвинуться в понимании процессов образования, переноса горящих частиц, их потенциала воспламенить горючие материалы и инициировать пятнистые пожары, получить необходимые данные для уточнения противопожарных требований к индивидуальной жилой застройке, садовым, дачным строениям. Применение технического решения на практике увеличит безаварийный срок эксплуатации, повысит удобство в обслуживании, что позволит достигать условия воспламенения исследуемых частиц во всем диапазоне размеров и сделает возможным моделирование переноса горящих частиц от фронта пожара и их воздействие на слой напочвенного покрова и образцы деревянных конструкций.
Технический результат заключается в увеличении срока безаварийного использования устройства при меньшем времени выхода установки на рабочий режим за счет повышения устойчивости к длительному температурному воздействию проточной рабочей части и уменьшения тепловых потерь топки генератора.
Источники информации
1. Samuel L. Manzello, John R. Shields, Thomas G. Cleary / On the development and characterization of a firebrand generator / Fire Safety Journal 43 (2008) 258-268. http://dx.doi.org/10.1016/j.firesaf.2007.10.001.
2. Suzuki S. and Manzello, S.L., 2011. On the Development and Characterization of a Reduced Scale Continuous Feed Firebrand Generator. Fire Safety Science 10: 1437-1448. 10.3801/IAFSS.FSS.10-1437.
3. Manzello, S.L., and Suzuki, S., (2012) The New and Improved  LAIR (Lofting and Ignition Research) Facility, Fire and Materials 36:623-635, http://dx.doi.org/10.1002/fam.1123
4. Oliveira R., Quesada C, Viegas D.X., Freitas E., Raposo J. Firebrand generator system applied to wildland-urban interface research / Advances in Forest Fire Research. Book chapter. Coimbra, Portugal, November 17 - 21. - Coimbra, Portugal, 2014. - P. 759-765. -http://dx.doi.org/10.14195/978-989-26-0884-6_84.
5. Mell WE, Manzello SL, Maranghides A, Butry D, Rehm RG (2010) The wildland -urban interface fire problem - current approaches and research needs. International Journal of Wildland Fire 19, 238-251. doi:doi:10.1071/WF07131.
6. Samuel L. Manzello, Sayaka Suzuki, Experimentally Simulating Wind Driven Firebrand Showers in Wildland-urban Interface (WUI) Fires: Overview of the NIST Firebrand Generator (NIST Dragon) Technology, In Procedia Engineering, Volume 62, 2013, Pages 91-102, doi: 10.1016/j.proeng.2013.08.047.
7. Касымов Д.П., Перминов B.B., Рейно B.B., Фильков А.И., Лобода Е.Л. Экспериментальная установка по генерации горящих частиц для исследования распространения природного пожара // Известия ВУЗов. Физика.- 2017.- Т. 60, №12/2.- С. 107-112.