ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА
FIRE PROTECTION

Изобретение относится к области создания теплозащитных конструкций для защиты от длительного воздействия пожара пожаро- и взрывоопасных грузов (изделий), упаковок, металлических шкафов, сейфов с материальными ценностями, важными документами, деньгами и других подобных объектов защиты при их хранении и транспортировании.
Изобретение может быть использовано в различных областях промышленности, например, в атомной, автомобильной (защита бензобака), железнодорожной (в вагонах), ракетной (защита двигателей на пусковой установке или в транспортно-пусковых контейнерах), космической технике, в бытовых, жилых и производственных помещениях, для автоматического осуществления длительной теплозащиты указанных объектов в случае возникновения высокоинтенсивных, высокотемпературных пожаров при отсутствии возможности быстрого (менее ~30 мин.) их тушения.
Известен теплозащитный контейнер (патент США №3709169 от 11.02.1968, опубл. 09.01.1979). Внутри него имеется теплозащита, состоящая из наружного слоя абсорбирующего материала, например стеклянной бумаги, насыщенной водой.
Внутренний слой помещен в водонепроницаемый кожух, например, из полиэтилена, который разрушается при воздействии повышенных температур и обеспечивает выход водяного пара для поглощения им тепла.
Недостатками такой теплозащиты является:
- низкое значение прочности внутреннего слоя абсорбирующего материала и возможность его разгерметизации, деформации и повреждений при ударах, падениях;
- низкое значение процента абсорбирующего материала водой;
- ограниченное время процесса парообразования и отвода тепла, вследствие малого количества воды и ее утечки после разгерметизации. Все это снижает надежность защиты объектов от высоких температур, например пожара.
Известен защищенный от пожара сейф (заявка Великобритании №2168402 14.12.1984, опубл. 18.06.1986). Сейф имеет наружный кожух, внутреннюю облицовку и промежуточный изоляционный слой из стойкого и огнеупорного материала. Внутренняя облицовка имеет наполнитель из материала, изменяющего фазовое состояние при тепловых воздействиях, например из парафина, обладающего свойством поглощать тепло.
Недостатком устройства являются:
- пониженные теплозащитные свойства в течение длительного времени пожара, а также при вытекании расплавленного парафина по направлению сил гравитации;
- в конструкции отсутствуют элементы, отводящие тепло наружу от материала, поглотившего его при нагреве в результате фазового перехода при этом возможна закачка тепла внутрь сейфа при его остывании, что является опасным для защищаемого объекта (взрывоопасного изделия);
- возможность механического разрушения теплозащиты сейфа вследствие роста внутреннего давления при фазовых переходах (испарении наполнителя).
Известно устройство для тепловой и механической защиты объекта (патент РФ №2269170 от 21.09.2004, опубл. 27.01.2007). Устройство (т.н. «черный ящик») для защиты бортовых накопителей полетной информации при авариях самолетов и вертолетов с временем воздействия до 1 часа при температуре до 1100°С. Зашита осуществляется многослойной сферической оболочкой, содержащей биморфное теплозащитное покрытие на ударопрочном корпусе, слой огнеупорного сухого пористого материала и внутренние слои из кристаллических соединений, содержащих кристаллизационную воду - кристаллогидраты, покрытые металлическими теплоотражающими прокладками.
Недостатками этого устройства применительно к решаемым задачам являются:
- незначительное время зашиты от высокотемпературных пожаров до 1100°С не превышающее 30 мин.;
- ограниченное количество кристаллогидратов, разлагающихся и испаряющихся при пожаре в объеме устройства, что не позволяет увеличить время противопожарной защиты до нескольких часов;
- сложность многослойной конструкции и ее монтажа вокруг защищаемого объекта, особенно при больших его размерах.
Известно устройство противопожарной защиты (патент РФ №2302271 от 12.07.2005, опубл. 10.07.2007). Противопожарная защита представляет собой кожух в виде удлиненной металлической емкости, заполненной испаряющимся при пожаре наполнителем в виде множественных капсул, каждая из которых имеет герметичный корпус из теплопроводящего материала внутри которого установлена трубка, ось которой проходит через геометрический центр капсулы. В стенке трубки выполнено не менее одного жиклера, при этом жиклер каждой капсулы сообщен с отверстиями, выполненными на удлиненной механической емкости. Наполнители, размещенные в капсулах, выполнены из материалов, изменяющих свои фазовые состояния под действием температуры от пожара.
Недостатками устройства являются:
- повышенная трудоемкость изготовления большого количества сложных капсул, применяемых в защите для исключения утечки из них жидкого наполнителя при аварийных наклонах, опрокидываниях относительно сил гравитации;
- недостаточное (<40%) использование объема кожуха для заполнения его испаряющимися наполнителями, так как они могут размещаться без выливания только в половине объема каждой капсулы, а остальная часть кожуха-емкости не содержит наполнителей, что сокращает время их испарения при длительных пожарах.
За прототип принято вышеописанное устройство.
Технической задачей, стоящей в данной области техники является создание более технологичной, простой и универсальной конструкции противопожарной защиты, обеспечивающей без вмешательства человека, средств автоматики и источников питания тепловую защиту пожаро- и взрывоопасных изделий и других объектов различной формы и размеров от загорания, взрыва или порчи при длительных высокотемпературных многочасовых пожарах.
Технический результат выражается в повышении технологичности изготовления противопожарной защиты за счет упрощения ее конструкции (требуются только металлические пластины и трубки), повышении практически до 100% коэффициента заполнения кожуха наполнителем, сокращении времени прогрева наполнителя до температуры его кипения, с исключением выливания жидкого наполнителя при аварийных наклонах и боковых опрокидываниях панели в составе вагона (автомобиля) относительно направления сил гравитации без применения сложных капсул.
Технический результат достигается за счет того, что в известной противопожарной защите, содержащей кожух в виде удлиненной металлической емкости с размещенным в ней наполнителем в виде рабочего вещества с температурой кипения ниже критической температуры защищаемого объекта, жиклеры для выхода пара кипящего наполнителя, внутри емкости размещены металлические пластины, снаружи кожуха, по крайней мере, с одной стороны выполнено оребрение из металлических пластин, установленных напротив внутренних пластин, которые подсоединены к противоположным стенкам емкости в шахматном порядке, образуя зигзагообразный канал, заполненный рабочим веществом в верхней части кожуха установлен рессивер, состоящий из дополнительной емкости и труб, выходящих с противоположных сторон кожуха и выполненных в виде встречно соединенных петлевых сифонов, концы которых герметично соединены между собой, а к ним в свою очередь подсоединены испарительные трубки с жиклерами для вывода пара, при этом испарительные трубки размещены, по крайней мере, с одной стороны кожуха и закреплены на пластинах его наружного оребрения, а их торцы герметично заглушены.
Одна из труб петлевого сифона имеет S-образную двухпетлевую форму сифона, а вторая труба, выходящая с противоположной стороны кожуха имеет, как минимум, однопетлевую U- образную форму сифона, при этом концы этих двух труб-сифонов соединяются между собой на высоте, превышающей с запасом уровень жидкости в емкости в направлении силы гравитации при его исходном положении и боковых опрокидываниях. Жиклеры направлены на изделие, защищаемое от пожара и (или) навстречу тепловым потокам, идущим от очага пожара. Поверхность металлических пластин оребрения кожуха и наружные поверхности кожуха выполнены с повышенным коэффициентом черноты. Рабочее вещество наполнителя в кожухе выбрано из одного или из двух компонентов с различными температурами фазовых переходов (кипения). Наиболее известным и дешевым рабочим веществом наполнителя является вода или жидкость на ее основе с другими компонентами, обеспечивающими ее морозостойкость и (или) снижающими температуру ее кипения. Поверхности внутренних пластин выполнены шероховатыми с возможностью оксидирования или других покрытий и способов обеспечения минимальной смачиваемости.
п
ж
Попарное соединение труб-сифонов, на приведенной высоте позволяет независимо от степени и направления аварийного наклона панели-кожуха создавать противодавление пара (Р) в сифоне, заполненном жидкостью под действием сил гравитации, исключая выброс через него жидкости из емкости кожуха и рессивера, находящихся под давлением (Р), в пароиспарительные трубки с жиклерами (см. фиг. 3).
Выполнение рессивера и труб выходящих с противоположных сторон кожуха-панели в виде встречно соединенных петлевых сифонов указанной формы, позволяет исключить выливание жидкости наполнителя при наклонах, опрокидывании панели или в горизонтальном положении панели с продолжением функционирования противопожарной защиты в течение длительного времени в таких положениях.
Зигзагообразный зазор между внутренними пластинами и стенками кожуха и создаваемый ими лабиринт позволяет двигаться нагреваемой жидкости снизу вверх с максимально возможной площадью контакта с нагревающими внутренними пластинами и повышенным отбором от них тепла, что ускоряет процесс закипания, обеспечивает вапотронный эффект за счет угловых зон лабиринта для исключения кризиса кипения.
Размещение металлических пластин снаружи кожуха (оребрение) с повышенным коэффициентом черноты увеличивает площадь и скорость нагрева кожуха в тепловом поле пожара. Внутренние пластины, размещенные в наполнителе, принимая тепло от внешних пластин и стенок кожуха, быстрее нагревают прилегающие к ним с двух сторон слои жидкости (наполнителей), так как сегментируют общий объем наполнителя в кожухе на отдельные слои и тем самым увеличивают удельную площадь пластин-нагревателей на единицу объема жидкости. Поверхности внутренних пластин выполняются шероховатыми, оксидируются с обеспечением минимальной смачиваемости, что повышает эффективность парообразования при уменьшенном тепловом напоре в начале пожара.
На фиг. 1 показан общий вид противопожарной защиты в вертикальном положении на фиг. 2 - противопожарная защита со стороны размещения испарительных трубок с жиклерами, фиг. 3 - схема функционирования защитной панели при ее опрокидывании, фиг. 4 - схема функционирования противопожарных защитных панелей, расположенных внутри вагона или фургона автомобиля.
Противопожарная защита фиг. 1 представляет собой кожух - пустотелую панель в виде удлиненной металлической емкости (1), заполненной жидкостью (2) с выбранной температурой кипения. Внутри емкости (1) в жидкости размещены металлические пластины (3), снаружи емкости (1) выполнено оребрение из металлических пластин (4), установленных напротив внутренних пластин (3), внутренние и наружные пластины (3) и (4) соединены со стенками кожуха с обеспечением теплопроводного контакта, при этом между торцами внутренних пластин (3) и противоположными стенками кожуха выполнены зигзагообразные зазоры (5). В верхней части кожуха выполнены отверстия или пазы (6) для выхода пара в рессивер (7), состоящий из дополнительной металлической емкости или труб заданного объема (8), подсоединенных к емкости кожуха через указанные отверстия или пазы (6).
В рессивере (7) и трубах (8), выходящих с противоположных сторон кожуха-панели, выполнены встречно соединенные петлевые сифоны (водяные затворы).
Одна из труб (8) имеет S-образную двухпетлевую форму сифона, а вторая труба, выходящая с противоположной стороны кожуха имеет, как минимум, однопетлевую U-образную форму сифона, при этом концы этих двух труб-сифонов герметично соединяются между собой перемычкой (9) на высоте, превышающей с запасом уровень жидкости в кожухе в направлении силы гравитации при его исходном положении и боковых опрокидываниях кожуха-панели (см. фиг. 3).
п
ж
К месту такого попарного соединения труб-сифонов, выходящих с противоположных сторон кожух-панели подсоединяются испарительные трубки (10) с жиклерами (11) для вывода пара. Соединенные попарно трубы-сифоны (8) совместно с емкостью (1) кожуха и рессивера (7) образуют (до подсоединения к ним испарительных трубок (10) с жиклерами (11) замкнутую герметичную систему, в которой генерируется давление пара (Р) и жидкости (Р) при ее кипении (см. фиг. 3).
Испарительные трубки (10) с жиклерами примерно равномерно размещаются на одной или нескольких боковых поверхностях панели-кожуха с закреплением на пластинах его наружного оребрения (см. фиг. 2). Жиклеры (11) и струи (12) направлены на изделие, защищаемое от пожара и (или) навстречу тепловым потокам, идущим от очага пожара.
Количество внутренних пластин (3) и расстояние между ними определяется толщиной прогреваемых слоев накопителей (жидкости), прилегающих к пластинам и стенкам кожуха. Для равномерного прогрева этих слоев с минимальными затратами металла расстояние между внутренними пластинами выполняются примерно равными ширине кожуха.
Температуры при некоторых пожарах достигают тысячи градусов, однако панели могут изготавливаться практически из любых дешевых металлов без предъявления требований к их жаростойкости. Это обусловлено тем, что наполнители панели (например, вода) прилегают (в отличие от прототипа) ко всей площади емкости, поэтому будут отбирать тепло от всех стенок панели при нагреве и испарении в процессе пожара.
Противопожарная зашита может выполняться в виде панели с различными размерами высоты, ширины и толщины панели в зависимости от размеров защищаемого объекта (см. фиг. 4). Например, для защиты пожаровзрывоопасных изделий (грузов), упаковок (13) перевозимых в вагонах или спецавтомобилях (14) плоские панели могут устанавливаться вдоль стенок вагона (автомобиля). Возможно размещение, закрепление противопожарных панелей в горизонтальном положении (15) сверху над защищаемым объектом (см. фиг. 4).
Монтаж вертикальных панелей (16) с двух и более сторон защищаемого объекта (13) обеспечивает максимальную степень защиты, так как до момента закипания жидкости защищаемый объект будет экранироваться от теплового потока пожара (17) за счет большой теплоемкости панелей, поглощения теплового потока оребренными поверхностями панелей и нагрева наполнителя от внутренних металлических пластин. Таким образом, заявляемая конструкция противопожарной защиты обеспечивает двухстадийную тепловую защиту: вначале пожара при незначительных его температурах за счет экранирования теплового потока (17) и его поглощения теплоемкостью панели с ее нагревом, а на второй стадии после закипания наполнителя (2), процессами испарения и формированием паровоздушных завес (18) струями пара (12), выходящими из жиклеров.
1
2
В процессе второй стадии работы вокруг защищаемого изделия формируется два контура паровоздушной завесы (18), каждый из которых снижает теплообмен с потоком пожара и обеспечивает перепады температур ΔT и ΔT (см. фиг. 4) в течение длительного времени воздействия высокотемпературного пожара.