СПОСОБ ПОЖАРОТУШЕНИЯ В ПОМЕЩЕНИЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FIRE EXTINCTION INDOORS AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при тушении пожаров в жилых и производственных помещениях, в том числе для тушения развитых (интенсивных) пожаров в них.
Известен способ тушения пожара, заключающийся в подаче компактной струи воды на горящие объекты с последующим переходом в заключительных стадиях процесса на подачу воды в распыленном виде [1].
Недостатком известного способа является необходимость использования большого количества воды и неэффективность его реализации при пожарах на больших поверхностях горения. В таких случаях струйная подача воды на часть поверхности горения хотя и приводит к местному прекращению горения, однако по остальной части поверхности, охваченной пожаром, разгорание продолжается.
Наиболее близким по технической сущности представляется способ тушения пожара, предложенный в работе [2]. Известный способ тушения пожара заключается в прерывистой подаче струи гасящей жидкости в очаг пожара. При этом для более тонкого распыления жидкости во время нестационарной подачи обеспечивают подсасывание окружающего воздуха или инертного газа, а во время паузы газожидкостную смесь готовят к последующей подаче путем сжатия до максимального гидростатического давления, близкого к давлению в трубопроводе.
Недостатком известного способа является неэффективность его реализации при пожарах по большим поверхностям горения. Это связано с тем, что подача осуществляется небольшими порциями, недостаточными для общего, хотя бы временного, прекращения или ослабления горения. В таких условиях короткие паузы в подаче жидкости, обусловленные технологическими особенностями устройства и не имеющие обратной связи с условиями в горящем помещении, оказываются недостаточно эффективными, поскольку недостаточно используется охлаждающее действие подсасывающегося свежего воздуха. В связи с этим общий расход жидкости оказывается достаточно большим.
Известны спринклерные установки, которыми оборудуются помещения с повышенной пожарной опасностью [3]. Спринклерная установка состоит из водоисточника, водопитателей, обратного клапана, контрольно-пускового узла и распределительных трубопроводов, на которых установлены спринклерные оросители и сигнальные устройства. Включение спринклерной установки происходит автоматически при возникновении пожара и срабатывании легкоплавкого замка. При работе спринклерной установки орошается вся занимаемая площадь и могут создаваться водяные завесы.
Недостатком спринклерной системы является отсутствие мобильности, т.е. возможность пожаротушения только в оборудованных помещениях, и недостаточно эффективное использование воды, требующее ее больших расходов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту представляется установки пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления [4]. Установка содержит бак с водой, силовой агрегат из водяного насоса и привода, пожарный рукав и ствол подачи тонкораспыленной воды. Установки предназначены для встраивания в пожарные автомобили в качестве дополнительного средства пожаротушения и могут быть вмонтированы в пожарно-спасательные автомобили первой помощи. При использовании установки тонкораспыленная вода интенсивно испаряется, при этом защитный слой пара изолирует зону горения. Это приводит к понижению концентрации кислорода в очаге пожара и способствует прекращению последнего.
Недостатком известной установки является локальность воздействия распыленной воды, ограниченная пространством очага пожара. При развитом пожаре за время затухания очага пожара в одном месте происходит новое (или повторное) возгорание в другом. В связи с этим, использование установки наиболее эффективно, как указывают сами авторы, при тушении пожара на начальной стадии горения.
Ставилась задача при экономном расходовании воды повысить эффективность пожаротушения в помещениях, включая развитые пожары большой интенсивности.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе пожаротушения в помещениях, включающем отбор огнегасящей капельной жидкости и ее импульсную подачу в очаг пожара преимущественно в распыленном виде, воду распыляют равномерно по всему объему помещения с орошением стен и всех поверхностей, находящихся в нем объектов, причем последующие импульсные подачи осуществляют в начале очередной активизации пожара. Длительность импульсной подачи выбирают из расчета достижения такого состояния, когда все помещение одновременно занято движущимися частицами воды или пара, причем необходимое количество жидкости в каждой импульсной подаче и время импульсной подачи определяют из приближенных соотношений:
m>W/w,
τ>L/ν,
где m - масса воды в одной импульсной подаче, кг;
3
W- вместимость помещения, м;
3
w - удельная паропроизводительность, для воды равная приблизительно 1,7 м/кг;
τ - время импульсной подачи жидкости, с;
L - расстояние от распылителя до наиболее удаленной точки помещения, м;
ν - линейная скорость истечения жидкости из распылителя, м/с.
Поставленная задача решается также тем, что в известной установке, содержащей сосуд с гасящей жидкостью, связанный с ним расходный трубопровод с распылителем и источник высокого давления, сосуд с огнегасящей жидкостью выполнен из расположенных одна над другой двух камер, имеющих гидравлическую связь с обратным клапаном, при этом к отверстию у днища нижней камеры пристыкован выполненный Г-образным расходный трубопровод, верхняя горизонтальная часть которого установлена на уровне верхнего края верхней камеры, а распылитель выполнен в виде верхнебоковой перфорации по концевой части трубопровода на расстоянии больше глубины помещения, при этом нижняя камера соединена также с источником сжатого газа трубопроводом, в разрыве которого предусмотрена дополнительная камера, внутри которой установлен двухпозиционный клапан, в одной позиции обеспечивающий газодинамическую связь с источником газа, а в другой позиции - газодинамическую связь с нижней камерой. В качестве источника высокого давления может быть использован управляемый газогенератор на твердом топливе или баллон со сжатым газом.
Выполнение сосуда с гасящей жидкостью в виде расположенных одна над другой двух камер, имеющих гидравлическую связь с обратным клапаном, в сочетании с соединением нижней камеры с источником высокого давления позволяет осуществлять порционную подачу воды при автоматической ее перекачке без дополнительных технических средств. Установление в разрыве трубопровода дополнительной камеры, внутри которой вмонтирован двухпозиционный клапан, в одной позиции обеспечивающий газодинамическую связь с источником газа, а в другой позиции - газодинамическую связь с нижней камерой, позволяет порционно подавать газ с большим расходом при наличии даже малого расхода от самого источника высокого давления. Выполнение расходного трубопровода Г-образным, входная часть которого пристыкована к отверстию у днища нижней камеры, а верхняя горизонтальная часть установлена на уровне не ниже уровня жидкости в верхней камере, позволяет исключить вытекание воды при завершении наполнения нижней камеры. Выполнение на верхнебоковой концевой части трубопровода перфорации на расстоянии больше глубины помещения позволяет равномерно орошать весь объем помещения, способствуя понижению температуры всей дымогазовой смеси. Использование в качестве источника высокого давления баллона со сжатым газом приводит к упрощению конструкции, а применение управляемого газогенератора на твердом топливе позволяет существенно увеличить запас сжатого газа при неизменных массогабаритных характеристиках устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид предлагаемого устройства для осуществления способа в разрезе; на фиг.2 приведен вид сверху предлагаемого устройства; на фиг.3 показано положение двухпозиционного и обратного клапанов во время работы устройства; на фиг.4 изображено фронтальное сечение помещения с показом направлений движения факелов распыленной воды; на фиг.5 представлено схематическое изображение расположения устройства на шасси автомобиля для тушения пожара в малоэтажных зданиях; на фиг.6 схематически изображено устройство в работе с использованием подъемного крана.
Реализация способа может осуществляться в разнообразных условиях. Наиболее простая реализация способа достигается при использовании предлагаемого устройства. Устройство (фиг.1) состоит из заполненной водой емкости 1, к днищу которой пристыкована рабочая камера 2. Между емкостью 1 и рабочей камерой 2 предусмотрена гидравлическая связь в виде отверстия 3, с возможностью его перекрытия обратным клапаном 4. В нижней части рабочей камеры 2 предусмотрено выходное отверстие, к которому пристыкован расходный трубопровод 5. Трубопровод 5 выполнен Г-образной формы, причем в верхней, преимущественно горизонтальной части, предусмотрены тросы крепления 6 и концевой распылитель 7 (фиг.2). Рабочая камера 2 посредством трубопровода 8 газодинамически связана с источником высокого давления 9. Последний может содержать, например, шашку твердого топлива 10, воду 11 и нагреватель 12 с герметично-подвижным регулятором темпа газообразования 13. В разрыве трубопровода 8 предусмотрена дополнительная камера 14. Внутри дополнительной камеры 14 установлен двухпозиционный клапан 15, обеспечивающий в верхней позиции (фиг.1) газодинамическую связь только с источником высокого давления 9, а в нижней позиции (фиг.3) - газодинамическую связь только с нижней (рабочей) камерой 2.
Для заполнения водой емкости 1 в ней выполнено отверстие 16, а также предусмотрены стояки 17 (фиг.1, 2, 5, 6) для крепления тросов 6, поддерживающих расходный трубопровод 5 преимущественно в горизонтальном положении без излишних прогибов.
В качестве источника высокого давления может быть использован газогенератор по ранее поданной заявке на изобретение [5], который изображен на фиг.1. (корпус газогенератора обозначен цифрой 9). Работа газогенератора осуществляется следующим образом. При подаче напряжения на спираль накаливания нагревателя 12 происходит разогрев его донной части, и при достижении температуры выше температуры воспламенения топлива газогенератор готов к работе. Для поддержания процесса сжигания при помощи штока 13 и подающего механизма (на чертеже условно показан разнонаправленными стрелками) нагреватель 12 прижимают к верхнему торцу твердотопливной шашки 10. После зажигания шашки 10 по верхнему торцу осуществляют принудительное движение штока 13 и нагревателя 12 вниз. При этом для прекращения горения нагреватель 12 останавливают или отводят вверх, причем смену режимов зажигания, горения и погасания могут проводить многократно с произвольными промежутками времени.
Вместо описанного малогабаритного управляемого газогенератора в качестве источника высокого давления возможно использование более громоздких стандартных баллонов, например, со сжатым азотом.
Предлагаемое устройство может быть смонтировано на автомобиле (фиг.5) в виде стационарной установки, позволяющей ликвидировать пожары в одноэтажных зданиях. Для этого автомобиль 19 с установкой и настроенным трубопроводом подгоняют к горящему помещению, через окно вводят внутрь распылитель и осуществляют импульсные подачи гасящей жидкости до полного или частичного прекращения горения.
Возможно изготовление переносного модуля (фиг.6), который используют с применением подъемного крана 20, что позволит тушить пожары в малоэтажных зданиях 21. А для тушения пожара в высотных зданиях с помощью такого модуля возможно использование вертолета.
Для тушения пожара распылитель 7 вводят в среднюю часть помещения с контуром 18 на уровне оконного проема, так чтобы направление факелов распыла соответствовало изображенным на фиг.4 штрихпунктирными линиями по числу рядов отверстий (на распылителе 7 изображена только часть отверстий).
В таких условиях работа устройства осуществляется следующим образом. В начальном положении при открытом отверстии 3 верхняя камера 1, рабочая камера 2 и вертикальная часть расходного трубопровода 5 заполнены водой. Шток двухпозиционного клапана 15 находится в верхней позиции, поэтому давление в камере 14 равно давлению в источнике высокого давления 9. Для подачи гасящей жидкости в горящее помещение шток двухпозиционного клапана 15 переводят в нижнее положение (см. фиг.2), что приводит к движению газа из камеры 14 по трубопроводу 8 в рабочую камеру 2. В результате этого обратный клапан 4 закрывает отверстие 3, и жидкость начинает вытесняться в расходный трубопровод 5 и далее через распылитель 7 в мелкодисперсном виде поступать внутрь горящего помещения.
При импульсной подаче распыленной воды образуется туман, и часть капель испаряется. При развитом пожаре и малом количестве воды последняя может полностью превратиться в пар. Все это приводит к разбавлению воздушной среды агентами, которые не поддерживают горение. Далее полученная смесь пара и капель воды постепенно замещается новыми порциями свежего воздуха (ввиду подсасывания). Поступающий воздух имеет температуру окружающей атмосферы и поэтому в первые промежутки времени не поддерживает горение (время индукции), но приводит к некоторому охлаждению нагретых горючих материалов.
После прогрева вновь поступившего воздуха и начала поддержания горения (определяется визуально) подают второй импульс распыленной воды, и описанный процесс повторяется, но при этом достигается более глубокое охлаждение. Последующую подачу воды осуществляют с увеличивающимися промежутками времени вплоть до «бесконечности» (полное погасание). При средней интенсивности пожара предполагается осуществить 2-3 импульсных подачи. Можно допустить также неполное тушение пожара. Однако существенное понижение температуры в помещении позволит входить туда людям для окончательного тушения с использованием ручных пожарных средств.
2
3
В качестве примера можно привести расчет основных характеристик предлагаемого устройства применительно к реализации способа тушения пожара в помещении, имеющем площадь 36 м и объем 90 м (6×6×2,5 м). Для полного заполнения такого помещения паром требуется испарить порядка 60 кг воды. Следовательно, согласно предлагаемому способу не менее такого количества воды должно содержаться в одной импульсной подаче. Для оценки параметров воспользуемся следующими соображениями.
x
Пренебрегая влиянием сопротивления воздуха, можно считать, что частицы воды, вытекая из отверстия, имеют постоянную горизонтальную составляющую скоростей ν а вертикальная составляющая скоростей изменяется по закону свободного падения. Тогда изменение вертикальной координаты
Отсюда время движения частицы от среза отверстия до пола
За это время частицы струи пройдут по горизонтали расстояние
Скорость истечения
w
3
где ρ - плотность воды, кг/м;
Δp - перепад давлений между давлением, создаваемым газом, и окружающим, Па;
ψ - коэффициент скорости, для воды примерно равный 0,97.
Подставляя (4) в (3), получаем
Разрешая (5) относительно Δp, получаем
Объемный и массовый расходы воды равны
ot
2
где F- суммарная площадь сечения отверстий, м;
ot
2
f - площадь сечения одного отверстия, м;
ot
N - число отверстий;
µ - коэффициент расхода воды, равный для отверстия в тонкой стенке 0,61…0,65.
Время вытеснения воды равно
w
где M - запас воды в резервуаре для одного цикла.
Считая процесс вытеснения воды изотермическим, из закона сохранения массы газов и уравнения состояния идеального газа, получаем
dk
где G - массовый приход газа из дополнительной камеры, кг/с;
b
T - температура газа, К;
b
R - удельная газовая постоянная Дж/(кг·К).
Запас воздуха для одного цикла вытеснения воды вычисляется по формуле
Давление газов p в системе вытеснения воды оценивается так
Предполагая истечение газов из дополнительной камеры звуковым, можем записать
k
где β - показатель, характеризующий критическое отношение давлений и для двухатомных газов равный 0,528.
Используя уравнение состояния идеального газа, находим вместимость дополнительной камеры
x
ot
ot
x
dk
w
w
w
w
w
dk
dk
w
dk
3
-3
3
Для исходных данных: y=1 м, L=5 м, d=3 мм, N=685, получаем: Δp=0,065 МПа, ν=11,1 м/с, G=0,062 кг/с, V=0,033 м/с, G=33,2 кг/с; t=M/G=1,8 c, M=Gt=0,11кг; V=32·10м.
b
b
b
b
-3
3
Запас газа в баллоне при температуре T=300 К, давлении p=15 МПа и вместимости V=40·10 м составляет M=6,74 кг.
При многоцикловом использовании устройства без перезарядки баллона масса оставшегося в баллоне газа и давление соответственно равны:
Количество циклов
M<sub>bi</sub>, кг
p<sub>bi</sub>, МПа
1
3,76
8,37
2
2,08
4,67
3
1,17
2,60
4
0,65
1,45
5
0,36
0,81
6
0,20
0,45
Таким образом, одного, полностью заправленного стандартного баллона хватит на 6 циклов подачи жидкости.
Следует подчеркнуть особое преимущество предлагаемых способа и соответствующего устройства для тушения пожаров в жилых и служебных помещениях на судах. Здесь экономия воды особенно актуальна. Это связано с тем, что неиспользованная часть воды, скапливающаяся в помещениях, приводит к потере остойчивости судна, и поэтому имелись случаи опрокидывания. В предлагаемом изобретении расход воды минимален.
Источники информации
1. Борьба с пожарами на судах. Том 2. Средства борьбы с пожарами на судах / Под ред. М.Г.Ставицкого. Л., Судостроение, 1976. С.134.
2. А.с.1683784 (СССР), кл. А62С 35/00. Способ тушения пожара и устройство для его осуществления / Н.Т.Москаленко и др. Заявл. 29.07.88; опубл. 15.10.91, Бюл. №38.
3. Добровольский А.А. Пожарная техника: Справочник. Киев: Технiка, 1981. С.78-79.
4. Гергель В.И., Цариченко С.Г. и др. Пожаротушение тонкораспыленной водой установками высокого давления оперативного применения // Пожарная безопасность. 2006. №2. С.127-128.
5. Барсуков В.Д., Голдаев С.В., Минькова Н.П., Поленчук С.Н. Способ управления сжиганием унитарного твердого топлива в жидкой среде и газогенератор // Заявка на изобретение. Уведомление о приоритете РОСПАТЕНТа, регистрационный номер 2006110194 от 29.03.2006.