ОГНЕТУШИТЕЛЬ ДЛЯ ТВЕРДОПЕННОГО ТУШЕНИЯ
FIRE EXTINGUISHER FOR SOLID FOAM EXTINGUISHING

Изобретение относится к области пожаротушения, а именно к устройствам пожаротушения, генерирующим газонаполненный вспененный гидрогель кремниевой кислоты, и может быть использовано в промышленности для тушения пожаров твердых горючих материалов, сопровождаемых и не сопровождаемых тлением, а также для предотвращения повторного воспламенения, локализации и изоляции очагов пожаров твердых горючих веществ.
Известно изобретение «Способ взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения вспененным гелем кремнезёма и устройство для его осуществления» [пат. № 2672945 приоритет от 17.01.2018, МПК A62C 13/04, A62C 5/02, C01B 33/14, B01F 3/08], в котором рассматривается устройство, содержащее выполненную в виде баллона емкость с компонентом А, емкость с компонентом Б, эжекторный смеситель компонентов А и Б, эжекторный пеногенератор для вспенивания смеси компонентов А и Б и выполненное с возможностью получения в качестве огнетушащего вещества быстротвердеющей пены (БТП) в виде вспененного геля кремнезема. 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. Для обеспечения вытеснения компонента А производится предварительная закачка емкости компонента А воздухом до давления 0,8-1,2 МПа. Емкость с компонентом Б выполнена в виде ранца с возможностью ее переноски за плечами оператора. Получение БТП обеспечивается 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, масс. %, 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% водного раствора активатора золеобразования кремнезема, преимущественно уксусной кислоты, при объемном соотношении компонентов А и Б от 15:1 до 6:1, преимущественно 10:1.
Недостатком данного изобретения является отсутствие способности устройства обеспечить постоянство объёмного соотношения компонентов А и Б по причине использования эжекторного смесителя. Фазовый золь-гель переход в смесителе влияет на гидродинамические свойства смеси и снижает интенсивность эжекции компонента Б, что соответственно ухудшает процесс получения и качество быстротвердеющей пены на основе вспененного геля кремнезема. Кроме того, существенным недостатком изобретения является необходимость постоянного поддержания огнетушителя в работоспособном состоянии вследствие невозможности длительного сохранения рабочего давления сжатого воздуха внутри корпуса. Все вышеперечисленное заметно снижает эффективность данного устройства.
Известно изобретение “Огнетушитель твердопенного тушения” [пат. № 2668753 приоритет от 30.03.2018, МПК A62C 13/04], в котором рассматривается устройство, содержащее герметичный корпус в форме тройника в виде двух сваренных друг с другом двух баллонов, один из которых ориентирован по вертикальной оси, а другой - по горизонтальной оси, и снабжен расположенной в плоскости осей баллонов ручкой, средство смешивания компонентов огнетушащего вещества в виде эжекторного смесителя-пеногенератора с возможностью смешивания компонентов А и Б и вспенивания смеси компонентов А и Б эжектируемым в эжекторный смеситель-пеногенератор атмосферным воздухом, а также средства подачи компонентов огнетушащего вещества из корпуса в средство смешивания компонентов огнетушащего вещества давлением сжатого газа внутри корпуса в виде трубопровода компонента А и трубопровода компонента Б. За счет того, что емкость с компонентом Б выполнена в виде расположенного горизонтально на дне корпуса эластичного пакета из материала, нейтрального к воздействию кислотной и щелочной среды, например, из поливинилхлорида, с возможностью подачи компонента Б из емкости с компонентом Б в трубопровод компонента Б и эжекторный смеситель-пеногенератор по действием давления сжатого газа внутри корпуса, авторы данного изобретения устраняют недостаток по обеспечению постоянства объемного соотношения компонентов присущий изобретению по пат. № 2672945.
Недостатком данного изобретения является необходимость постоянного поддержания огнетушителя в работоспособном состоянии вследствие невозможности длительного сохранения рабочего давления сжатого газа внутри корпуса. Кроме того, расположение емкости с компонентом Б в виде эластичного пакета из поливинилхлорида или иного материала нейтрального к действию кислотной и щелочной среды внутри емкости с компонентом А приводит к снижению надежности огнетушителя, т.к. при нарушении условий производства или эксплуатации (температура, механические повреждения, естественный процесс старения полимеров и т.д.) герметичность емкости компонента Б может быть нарушена и процесс гелеобразования произойдет внутри огнетушителя, что приведет к его неработоспособности. При этом до применения огнетушителя по назначению идентифицировать его неработоспособность вследствие гелеобразования невозможно.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является изобретение «Огнетушитель газогенераторный для взрывопожаропредотвращения и твердопенного тушения» [пат. № 2699078 приоритет от 06.02.2019, МПК A62C 13/04], которое и выбрано в качестве ближайшего аналога. Авторы данного изобретения рассматривают устройство, содержащее U-образный герметичный корпус с размещенными в нем компонентами огнетушащего вещества, средство смешивания и вспенивания компонентов А и Б в виде эжекторного смесителя-пеногенератора, средство раздельной подачи компонентов А и Б в средство смешивания и вспенивания в виде трубопровода компонента А и трубопровода компонента Б, средство создания давления внутри корпуса в виде газогенератора с возможностью вытеснения давлением компонентов огнетушащего вещества из корпуса в средство смешивания и вспенивания.
В ближайшем аналоге за счет использования пиротехнического газогенератора (в течение всего срока эксплуатации давление в корпусе огнетушителя отсутствует) устранен недостаток изобретений по патенту РФ №2672945 и пат. РФ № 2668753, который заключается в невозможности обеспечения длительного сохранения рабочего давления сжатого воздуха внутри корпуса, а соответственно и поддержание огнетушителя в работоспособном состоянии. Однако применение пиротехнического генератора газа ГГ-10(Б)-02 не обеспечивает стабильный расход компонентов, т. к. данный генератор имеет регрессивный режим работы, а время его работы не превышает 5 секунд, т.е. значительно меньше, чем работа самого огнетушителя. Таким образом, в процессе работы огнетушителя давление вытеснения компонентов А и Б будет значительно уменьшаться. Также необходимо отметить, что в генераторах ГГ-10(Б)-02 для снижения температуры продуктов сгорания используется состав с низким коэффициентом избытка окислителя. При такой компоновке газогенерирующего состава в продуктах сгорания присутствует значительное количество сажи, что ухудшает качество образующейся быстротвердеющей пены. Кроме того, недостатком ближайшего аналога является сравнительно невысокая эффективность, обусловленная низким коэффициентом полезного заполнения емкости огнетушителя, т. к. необходим определенный запас газа (воздуха) для поддержания требуемого рабочего давления до конца процесса вытеснения жидкости. Кроме того, газогенератор ГГ-10(Б)-02 используется для создания рабочего давления внутри порошкового огнетушителя, поэтому для снижения стоимости корпус газогенератора выполнен в виде картонной гильзы, что абсолютно неприемлемо для огнетушителей с жидким огнетушащим веществом. Данное техническое решение не обеспечивает надежную эксплуатацию устройства. Емкость компонента Б выполнена в виде расположенного в корпусе ближайшего аналога эластичного пакета из материала, нейтрального к воздействию кислотной и щелочной среды, например, из поливинилхлорида, с возможностью подачи компонента Б из емкости с компонентом Б в трубопровод компонента Б и под действием давления внутри корпуса. С одной стороны, данное конструктивное решение способствует уменьшению габаритов огнетушителя и позволяет для вытеснения компонента Б использовать давление внутри корпуса огнетушителя аналогично изобретению по пат. № 2668753, а с другой стороны, эластичная емкость компонента Б, расположенная внутри корпуса с компонентом А, снижает надежность при хранении и эксплуатации огнетушителя, так как при нарушении герметичности эластичной емкости компонента Б процесс гелеобразования произойдет в корпусе огнетушителя, что приведет к потере его работоспособности. При этом без разборки огнетушителя данный факт потери работоспособности вследствие гелеобразования невозможно зафиксировать и в момент ликвидации очага пожара известное устройство станет не пригодно для использования.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание огнетушителя, обеспечивающего надежную эксплуатацию и устойчивое формирование быстротвердеющей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты в течение всего времени работы огнетушителя.
Поставленная задача решается за счет того, что в огнетушителе для твердопенного тушения, содержащем герметичную емкость с жидким компонентом огнетушащего вещества, средство смешивания и вспенивания смеси компонентов огнетушащего вещества, твердотопливный газогенератор, выполненный с возможностью вытеснения жидкого компонента огнетушащего вещества, средство подачи компонентов огнетушащего вещества из емкости в средство смешивания и вспенивания, согласно изобретению  твердотопливный газогенератор содержит стальной корпус, выполненный в виде скрепленных друг с другом верхней и нижней части, в которой расположен узел запуска, огнепроводный шнур, шашка газогенерирующего состава, защитно-крепящий слой, в верхней части корпуса, между нижним и верхним перфодисками находится таблетированный охладитель, а также полость газового коллектора и штуцер для выхода газа, который через трубопровод подачи газа, узел распределения газа и трубопровод подачи газа для вытеснения жидкого компонента связан с входом герметичной емкости с жидким компонентом, а также через трубопровод подачи газа для активации процесса золе-гелеобразования связан с входом узла смешивания и вспенивания, а выход герметичной емкости с жидким компонентом через сифонную трубку и мембранный узел по линии жидкости и трубопровод подачи жидкого компонента связан с входом узла смешивания и вспенивания, а средство смешивания и вспенивания содержит газожидкостный смеситель, пеногенерирующий ствол, штуцеры подачи жидкого компонента и газа, а также газовод, коллектор жидкого компонента, пеногенерирующие сетки и изоградиентный конфузор.
Поставленная задача решается за счет того, что твердотопливный газогенератор располагается за пределами емкости с жидким компонентом огнетушащего вещества, а емкость с жидким компонентом огнетушащего вещества содержит предохранительную мембрану.
При использовании заявляемого огнетушителя для твердопенного тушения обеспечивается достижение следующего технического результата:
- обеспечение надежной и безопасной эксплуатации огнетушителя за счет снижения рабочего давления до 3-4 атмосфер за счет конструкции газогенератора с сохранением дальности струи, огнетушащих и физико-химических характеристик быстротвердеющей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты;
- обеспечение эффективного и длительного тушения твердых горючих материалов большой площади за счет увеличения полноты заполнения емкости компонента А, так как, в отличие от ближайшего аналога, нет необходимости предварительного наддува емкости с жидким компонентом огнетушащего вещества.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фигуре 1 представлена функциональная схема огнетушителя, на фигуре 2 - узел 7 смешения и вспенивания огнетушителя, на фигуре 3 - твердотопливный газогенератор 1.
Огнетушитель для твердопенного тушения в соответствии с чертежом (фиг.1) содержит твердотопливный газогенератор 1, трубопровод 2 подачи газа, узел 3 распределения газа, трубопровод подачи газа 4 для вытеснения жидкого компонента огнетушащего вещества, трубопровод подачи газа 5 для активации процесса золе-гелеобразования, трубопровод 6 подачи жидкого компонента огнетушащего вещества, узел 7 смешения и вспенивания, пусковую мембрану 8 по линии газа, жиклер 9 по линии газа, пусковую мембрану 10 по линии жидкости, герметичную емкость 11 с жидким компонентом огнетушащего вещества, предохранительную мембрану 12, сифонную трубку 13, тележку 14.
Узел 7 смешения и вспенивания в соответствии с чертежом (фиг.2) содержит газожидкостный смеситель 15, пеногенерирующий ствол 16, штуцер по линии газа 17, штуцер по линии жидкости 18, газовод 19, коллектор жидкого компонента огнетушащего вещества 20, отверстие впрыска жидкого компонента огнетушащего вещества 21, цилиндрический участок ствола 22, пеногенерирующие сетки 23, изоградиентный конфузор 24.
Газогенератор 1 в соответствии с чертежом (фиг.3) содержит корпус, состоящий из нижней части 25 и верхней части 26, которые соединены болтами 27. В нижней части корпуса 25 расположен узел запуска 28, огнепроводный шнур 29, шашка газогенерирующего состава 30, защитно-крепящий слой 31. В верхней части корпуса 26 находится таблетированный охладитель 32, расположенный между нижним перфодиском 33 и верхним перфодиском 34, а также полость газового коллектора 35, штуцер для выхода газа 36, который закреплен с помощью гайки 37.
Огнетушитель работает следующим образом.
После приведения в действие узла запуска 28 происходит воспламенение комплекта пиротехнических газогенерирующих шашек 30, при горении которых выделяется газ, состоящий из об.% оксид углерода (IV) - не менее 65, азот - не более 10, парообразная вода - не более 25. Образовавшийся при горении газ по трубопроводу 4 поступает в емкость с жидким компонентом огнетушащего вещества 11, обеспечивая его вытеснение. В качестве жидкого компонента огнетушащего вещества используется водный раствор силиката щелочного металла и углеводородного поверхностно-активного вещества. Температура газогенераторного газа, прошедшего через блок охладителя 32, составляет от 50 до 110 град. С, преимущественно 80 град. С, что позволяет исключить введение в конструкцию огнетушителя разделительной мембраны ввиду низкой растворимости горячего газа. Температура газа регулируется количеством таблетированного охладителя на основе карбоната магния. После достижения в емкости 11 с жидким компонентом огнетушащего вещества избыточного давления 3-10 атм., преимущественно 4 атм., происходит прорыв пусковой мембраны 10 и жидкий компонент огнетушащего вещества начинает поступать по трубопроводу 6 в узел смешения и вспенивания 7 с пеногенерирующей насадкой 23. Одновременно с прорывом пусковой мембраны 10 емкости 1 происходит прорыв пусковой мембраны 8 газогенератора 1 и газ, проходя по трубопроводу 5, взаимодействует с жидким компонентом огнетушащего вещества в узле смешения 7 с последующим вспениванием гидрогеля кремниевой кислоты. Предохранительная мембрана 12 обеспечивает процесс безопасной эксплуатации предлагаемого огнетушителя для твердопенного тушения.
Для активации процесса золе-гелеобразования жидкого компонента огнетушащего вещества в продуктах сгорания твердотопливного газогенератора содержится не менее 65 об. % углекислого газа.
Время работы, постоянство расхода компонентов и объемное соотношение компонентов регулируются за счет формы и размера пиротехнического заряда твердотопливного газогенератора 1. Для регулирования температуры продуктов сгорания пиротехнического заряда твердотопливного газогенератора используется блок из таблетированного охладителя на основе карбоната магния.
Постоянство огнетушащих и физико-химических характеристик быстротвердеющей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты обеспечивается за счет гелеобразования жидкого компонента огнетушащего вещества в диапазоне времени от 1 до 10 секунд.
Емкость с жидким компонентом огнетушащего вещества содержит предохранительную мембрану, что обеспечивает безопасную эксплуатацию устройства.
Для одновременной подачи жидкого компонента огнетушащего вещества и газа-активатора в узел смешения и вспенивания огнетушитель для твердопенного тушения содержит пусковые мембраны 8 и 10, вскрывающиеся при одинаковом давлении от 3 до 10 атмосфер.
Как видно из описания работы огнетушителя, параметры работы твердотопливного газогенератора, такие как объемный расход газа, температура газа и давление, подобраны таким образом, чтобы образование быстротвердеющей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты происходило при её попадании на объект тушения. В таблице 1 представлены основные характеристики пиротехнического газогенерирующего состава, используемого в твердотопливном газогенераторе для наддува емкости с коллоидным раствором и активации процесса золе-гелеобразования.
Таблица 1
Характеристики газогенерирующего состава
Параметр
Значение
Скорость горения при 0,1 МПа, мм/с
0,4-0,7
Газопроизводительность, литр на грамм состава
0,5
Конденсированные частицы в газовой фазе
отсутствуют
Химический состав газовой фазы, об. %
СО<sub>2</sub> - 65Н<sub>2</sub>O - 25N<sub>2</sub> - 10
Использование специализированного твердотопливного газогенератора в заявляемом огнетушителе для твердопенного тушения позволяет масштабировать устройства, регулируя время их работы и соотношение объемных расходов газа и жидкости за счет формы и размера пиротехнического заряда твердотопливного газогенератора, а также количества зарядов. В таблице 2 приведены параметры твердотопливного газогенератора, используемого в составе заявляемого огнетушителя для твердопенного тушения, в сравнении с твердотопливным газогенератором, применяемым в ближайшем аналоге.
Таблица 2
Сравнение характеристик твердотопливных газогенераторов
№ п/п
Параметр
ГГ-10(Б)-02
Газогенератор в заявляемом изобретении
Пример №1
Пример №2
1
Время работы газогенератора, сек
5
60
130
2
Масса газогенератора не более, кг
0,5
7,5
11
3
Габаритные размеры:- диаметр, мм- высота, мм
33480
240130
240200
4
Материал корпуса
Картон
Сталь
Сталь
Пример №1 таблицы 2 отражает характеристики твердотопливного газогенератора заявляемого огнетушителя для твердопенного тушения объемом 12 литров, пример №2 - объемом 25 литров. Из таблицы видно, что, изменяя высоту твердотопливного газогенератора в полтора раза, можно увеличить время работы заявляемого огнетушителя в два раза с пропорциональным увеличением количества жидкого компонента огнетушащего вещества.
В таблице 3 представлены основные технические характеристики заявляемого огнетушителя для твердопенного тушения.
Таблица 3
Основные технические характеристики заявляемого огнетушителя для твердопенного тушения
№ п/п
Наименование параметров и характеристик
Значение
1
Длина пенной струи, м
4-6
2
Показатель эффективности тушения, м<sup>2</sup>/л⋅с не менее
0,05
3
Время работы, сек
60
4
Рабочее давление в корпусе огнетушителя, атм
4
5
Расход жидкого компонента огнетушащего вещества, л/с
0,2
6
Емкость жидкого компонента огнетушащего вещества, л
12
7
Коэффициент заполнения емкости жидким компонентом огнетушащего вещества
1
8
Масса огнетушителя, кг, не более- без заряда- с зарядом
3448
Практические испытания возможности достижения технического результата и определения огнетушащей эффективности предлагаемого огнетушителя для твердопенного тушения проводили по методике тушения модельного очага пожара 1А, изложенной в ГОСТ 51057-2001. Испытания проводили на открытом воздухе при нормальных климатических условиях, и скорости ветра, не превышающей 5 м/с, а также 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.
2
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%. 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. 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 по четырем сторонам штабеля согласно методике ГОСТ 51057-2001.
Тушение с использованием предлагаемого огнетушителя твердопенного тушения проводили с подачей вспененного гидрогеля кремниевой кислоты с расходом по жидкому компоненту огнетушащего вещества 0,2 л/с при давлении вытеснения 4 атм. После визуально наблюдаемого окончания тушения модельного очага фиксировали время до повторного воспламенения.
Модельный очаг пожара считали потушенным, если в течение 10 мин не произошло повторного воспламенения с последующим устойчивым горением штабеля.
Техническое преимущество заявляемого огнетушителя для твердопенного тушения заключается в том, что в отличие от ближайшего аналога, он обеспечивает надежную и эффективную работу за счет обеспечение дальности струи при снижении расхода генерируемой быстротвердеющей пены в пять раз и сохранения огнетушащих, физико-химических характеристик быстротвердеющей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты на всем интервале времени работы огнетушителя за счет использования твердотопливного газогенератора для активации процесса золе-гелеобразования и одновременно вытеснения жидкого компонента огнетушащего вещества из герметичной емкости.
Надежная и бесперебойная работа огнетушителя на протяжении всего времени его эксплуатации обеспечивается за счет пусковых мембран 8 и 10, вскрывающихся при одинаковом давлении от 3 до 10 атмосфер, что обеспечивает одновременную подачу коллоидного раствора и газа-активатора в узел смешения и вспенивания.