УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЗРЫВА ГОРЮЧИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Полезная модель относится к противопожарной технике, а более конкретно, к управлению противопожарным оборудованием, исполнительные устройства которого электрически связаны с чувствительными элементами, и предназначено для использования в шахтах по предотвращению воспламенения и взрыва метановоздушных смесей.
Уровень данной области техники характеризует автономная установка для объемного тушения пожара по патенту РФ 2128537, А 62 С 37/00, 1999 г., которая включает распределенные в защищаемом объеме средства контроля возгораний, электрически связанные посредством теплового химического источника тока с узлами запуска исполнительных устройств, выполненных в виде генераторов аэрозольного ингибитора горения.
Эта установка функционирует автономно, без участия оператора для контроля и управления функционированием, что позволяет использовать ее в дежурном режиме в закрытых труднодоступных, удаленных, вредных и т.п. помещениях и производствах.
Однако, продолжением достоинств являются присущие недостатки. Так, надежность установки в целом неудовлетворительна, потому что по определению ниже необходимой, являясь произведением коэффициентов технического использования последовательно действующих структурных элементов, работоспособность которых к тому же активно не контролируется из-за специфики автономного функционирования установки.
Следовательно, использование автономной установки по специальному назначению, для надежного контроля и защиты взрывоопасных объемов, ограничено вероятностной функциональностью.
Отмеченный недостаток устранен в установке для объемного тушения пожаров по патенту РФ 2140311, А 62 С 37/00, 1999, выбранной по числу совпадающих признаков в качестве ближайшего аналога предложенной и которая содержит распределенные в защищаемом объеме пиротехнические генераторы, снабженные блоком охлаждения подаваемого аэрозольного ингибитора горения и узлом запуска, связанные с датчиками пожарной сигнализации (средства контроля), устройство временной задержки, коммутатор, блок зондирования и источник питания.
Установка оснащена дистанционным пусковым коммутатором и различными средствами оповещения, сигнализации и блокировки проемов.
Блок зондирования в заданной последовательности вырабатывают зондирующие импульсы, параметры которых отличны от номинала запускающих, для контроля электрических каналов связи структурных элементов установки и выдачи на дисплей оперативной информации о неисправности и
месте ее расположения, что обеспечивает высокую функциональную надежность подавления пожара в защищаемом объеме.
Недостатком известной установки с активным контролем функциональности структурных элементов и шлейфов связи является ограниченная область практического использования, так как ее работа инициируется от превышения установленного порога температуры в защищаемом объеме, то есть при наличии очага возгорания, что неприемлемо для атмосферы взрывоопасных газовоздушных смесей, горение которых при определенных концентрациях лавинообразно переходит в детонацию, в частности, метановоздушных смесей в шахтных выработках.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является автоматическое предотвращение воспламенения и взрыва газовых смесей в защищаемом объеме.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной установке для предотвращения взрыва горючих газовых смесей, содержащей распределенные в защищаемом объеме средства контроля, которые связаны с источником питания и через коммутатор с узлами запуска исполнительных устройств подачи аэрозольного ингибитора, по предложению авторов, средства контроля выполнены в виде катарометра, собранного по схеме электрического моста, в плечо которого включена нить накаливания от источника питания, помещенная в измерительную камеру, через которую пропускается контролируемая газовая смесь, а коммутатор настроен на напряжение, соответствующее содержанию метана в воздухе 3-4 об.%, при этом подаваемый исполнительным устройством аэрозольный ингибитор представляет собой четыреххлористый углерод, смешанный с диоксидом углерода, каждое средство контроля сообщается с хроматографом, а исполнительные устройства наполнены компонентами, которые содержатся в следующем соотношении, об.%:
четыреххлористый углерод
10-15
диоксид углерода
85-90.
Отличительные признаки обеспечили активный контроль за установленным взрывобезопасным порогом концентрации выделенного хроматографом горючего газа в воздушной атмосфере защищаемого объема. Для метановоздушной смеси этот порог составляет 5,25 об.%.
Катарометрия основывается на известном из кинетической теории газовой хроматографии положении, что все газы обнаруживают сильный рост теплопроводности при увеличении температуры, при этом теплопроводность зависит от состава газовой смеси, следовательно, катарометр служит детектором по теплопроводности, которую косвенно измеряют по переменному сопротивлению нити накаливания в плече электрического моста.
Таким образом, появление в атмосфере контролируемого объема метана детектируется как соответствующее изменение газового состава.
Активное регистрирование изменений теплопроводности (λ) газов осуществляется в приборе по электромостовой схеме, в качестве одного из
плеч которого используется наполненная контролируемой метановоздушной смесью измерительная камера с проволочной нитью, нагреваемой от источника тока.
Превышение температуры (Т) нити при стационарно подводимой тепловой мощности (N) является мерой теплопроводности:
N=сλТ, где с - постоянная камеры.
При появлении в воздухе метана с малой концентрацией, ниже порога воспламенения (3-4 об.%), теплопроводность измеряется: N=с(λ+Δλ)(T++ΔТ).
Так как Δλ/λ≪1, то ΔТ/Т=-λ/Δλ и, главное, процентное изменение температуры не зависит от конструкции измерительной камеры и от материала нагреваемой нити.
Из вышесказанного следует, что изменение температуры нити определяют путем измерения электрического сопротивления, которое пропорционально содержанию метана в воздухе.
Порог срабатывания коммутатора на напряжение в диагонали электрического моста величиной 2 мВ, которое соответствует диапазону содержания метана 3-4 об.% в контролируемом воздухе, позволяет с достаточной инерционностью инициировать подачу аэрозольного ингибитора в защищаемый объем до достижения порога воспламенения метановоздушной смеси, чем предотвратить ее взрыв, при поступлении метана с любой скоростью.
Ингибирующее действие предложенного состава более эффективно, чем у известных аналогов, так как для надежного предотвращения взрыва метановоздушной смеси потребность ингибитора в несколько раз меньше. Экспериментально установлено, что для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушной смеси достаточно содержания в ней 2 об.% четыреххлористого углерода.
Четыреххлористый углерод является сильным ингибитором, который эффективнно прерывает реакционные цепи, динамично перехватывая активные частицы, предотвращая лавинообразное их размножение:
4
3
Н+ССl=НСl+ССl.
3
Замена химически активного атома Н на радикал ССl равносильна обрыву реакционной цепи, поскольку этот радикал не способен своими реакциями регенерировать активную частицу.
Диоксид углерода является флегматизатором, который усиливает действие ингибитора за счет уменьшения концентрации окислителя. Кроме того, Диоксид углерода участвует в тримолекулярном обрыве реакционных цепей, высокоэффективно стабилизируя образующийся продукт рекомбинаций:
2
2
Н+O+М=НО+М
Размещение перед измерительной камерой хроматографа обеспечило выделение метана в структуре контролируемого воздуха для более точного измерения его теплоемкости и, следовательно, объемного содержания до порогового уровня взрывоопасной концентрации.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность
в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная задача решается не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, который служит чисто иллюстративным целям и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы. На чертеже схематично изображено:
на фиг.1 - предложенная установка;
на фиг.2 - вид А на фиг.1, средство контроля.
Установка содержит распределенные в защищаемом объеме средства 1 контроля концентрации метана в воздухе, представляющие собой катарометры, каждый из которых сообщается с хроматографом 2.
2
4
Выходы средств 1 контроля через коммутатор 3 электрически связан с узлами 4 запуска (в частности, электроклапанами, выполненными в виде электромагнита, якорь которого кинематически связан с шиберной заслонкой) устройств 5 подачи аэрозольного ингибитора, представляющих собой баллоны высокого давления для хранения сжиженного диоксида углерода (CO). Баллон 5 сообщается посредством перекрытого клапаном трубопровода (условно не показано), конец которого помещен ниже уровня залитого в выпускную емкость четыреххлористого углерода (ССl).
При выпуске из баллона 5 газообразного диоксида углерода происходит барботирование четыреххлористого углерода, их перемешивание с образованием устойчивого ингибирующего аэрозоля, который выбрасывается в защищаемый объем.
4
4
2
Ингибирующий состав в форме аэрозоля содержит 2 об.% CCl относительно защищаемого объема, при этом соотношение компонентов ограничено в диапазоне значений ССl:СО=1:(6-9) и составляет, об.%:
четыреххлористый углерод
10-15
диоксид углерода
85-90.
Средства 1 контроля выполнены по схеме электрического моста 6 (фиг.2), где в измерительной камере 7 активного контроля теплопроводности газовой смеси, подаваемой из защищаемого объема, помещена нить 8 накаливания, а также установлена камера 9 сравнения, наполненная чистым газом-носителем (воздухом).
В диагональ электрического моста 6 включен усилитель 10, связанный с измерительным прибором 11 и коммутатором 3 (реле KV), структурно содержащем катушку KV.1 и контакт KV.2.
Коммутатор 3 замкнут на узел запуска 4 устройства 5 подачи аэрозольного ингибитора. При этом запускающий сигнал может параллельно подаваться на различные системы оповещения (звуковые, световые, радиомаяк и др.), а также через линию задержки на систему заградительной блокировки и перекрытия проемов.
Электроклапаны 4 устройств 5 подачи аэрозольного ингибитора дополнительно
связаны с коммутатором 12 дистанционного запуска оператором.
Функционирует установка следующим образом.
В каждом из распределенных по защищаемому объему средстве 1 контроля активно регистрируется текущая теплопроводность контролируемой газовой смеси, по которой судят о концентрации метана в воздухе.
При этом в измерительную камеру 7 подается газовая смесь из защищаемого объема после разделения структурных составляющих в колонке хроматографа 1, где выделен метан, а в сравнительную камеру 9 подается чистый атмосферный воздух.
Связанные с источником питания нити 8 накаливания, размещенные в камерах 7 и 9, в качестве плеч включены в электрический мост 6, что позволяет автоматически по разнице сопротивлений фиксировать на тарированном приборе 11 концентрацию метана в воздухе.
Контакт KV.1 коммутатора 3 настроен на напряжение 2 мВ, которое соответствует содержанию метана 3-4 об.% в воздухе, что является пороговым значением для запуска установки.
При срабатывании коммутатора 3 управляющий сигнал поступает на узел 4 запуска, от чего втягивается якорь электромагнита, открывающий шиберную заслонку устройства 5 хранения ингибирующего состава, из которого под давлением динамично выбрасывается в виде аэрозоли в защищаемый объем, перемешиваясь с его метановоздушной атмосферой.
В случае необходимости электрический сигнал с коммутатора 3 передается на условно не показанные на чертеже средства оповещения и тревоги, а через время задержки, необходимое для эвакуации людей, срабатывают устройства блокирования проемов, изолирующие участок выброса метана.
При этом четыреххлористый углерод вступает в реакционную связь с активными частицами и обрывает реакционные цепи горения метановоздушной смеси, а двуокись углерода увеличивает удельную скорость реакции тримолекулярного обрыва цепей, чем значительно снижает потребную концентрацию ингибитора.
В результате действия ингибирующего состава по изобретению в защищаемом объеме при любом количестве метана в воздухе полностью исключается воспламенение и взрыв.
Установка по результатам показания прибора 11 может быть запущена также вручную оператором от дистанционного коммутатора 12, управляющий импульс с которого поступает на коммутатор 3. Далее функционирование соответствует вышеописанному по запуску всех распределенных в защищаемом объеме устройств 5, обеспечивающих подачу заданного объема ингибирующего аэрозольного состава.
Процесс ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси отрабатывался в сферическом реакторе, выдерживающем давление до 100 атм, который снабжен специальным окошком для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления.
Испытания проводились в защищаемом объеме емкостью от 3 до 4000
литров.
Рабочие газовые смеси, содержащие воздух, метан и ингибирующий состав, приготавливали непосредственно в реакторе. Реактор предварительно вакуумировали до давления 0,4 Па, а затем последовательно напускали в заданных объемах ингибирующий состав, метан и воздух, контролируя их количество по парциальным давлениям.
Поджиг приготовленной газовой смеси проводили при помощи искрового источника, размещенного в центре реактора.
Воспламенение газовой смеси регистрировали по свечению пламени (хемилюминесценции) визуально и с использованием фотодиода, а также по скачку давления и расходованию реагентов.
Таким образом экспериментально были определены оптимальные соотношение компонентов ингибирующего состава, его количественное содержание в различных метановоздушных смесях для гарантированного предотвращения воспламенения и взрыва.
Положительные результаты опытной проверки действующей модели предложенной установки на различных газовых смесях разных горючих газов, в широком диапазоне их содержания в воздухе подтвердили ее пригодность для промышленного использования в шахтах, на станциях перекачки магистральных газопроводов, в транспортных емкостях и хранилищах, на предприятиях переработки и производства газов и в бытовых условиях.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель не следует явным образом для специалиста отрасли, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления установок для предотвращения взрыва газовых смесей, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.