Способ ограничения распространения пожара в помещении
FIRE PROPAGATION LIMITATION METHOD IN ROOM

Изобретение относится к противопожарной технике и предназначено для предотвращения распространения пожара между пожароопасными изделиями и предметами с помощью распыленной воды, например, между автомобилями в закрытых автостоянках.
Особенностью пожаров в данных сооружениях является возможность интенсивного развития горения в начальной стадии и аккумулирование выделившегося тепла продуктами горения, горючей нагрузкой и строительными конструкциями.
Известна дренчерная установка водяного пожаротушения (Н.Ф. Бубырь и др. «Эксплуатация установок пожарной автоматики», М.: Стройиздат, 1986, с. 136-145). Установка предназначена для одновременного тушения пожара по всей защищаемой площади.
Установка состоит из водопитателя (насосной станции), распределительного трубопровода, разделенного (при помощи клапанов запорных секционных) на дренчерные секции с установленными на нем дренчерными оросителями и средствами обнаружения пожара. При обнаружении пожара, например, с помощью системы пожарной сигнализации запорный клапан соответствующей дренчерной секции открывается и вода от водопитателя подается в защищаемую зону.
Недостатком такой установки является то, что суммарный расход воды, требуемый для тушения пожара распыленной водой, достигает больших значений, поэтому применение указанной установки, может создать проблему бесперебойной подачи воды при действующей водопроводной системе на объекте (Е.Н. Иванов, Противопожарная защита открытых установок. М., Химия, 1986, с. 83-95).
Известны многочисленные способы автоматического импульсного пожаротушения и устройства для его реализации (Патент JP №4352972, А62С 37/36, опубл. 08.12.1992; Патент RU №2046613, А62С 35/11 (1995.01), А62С 37/40 (1995.01), А62С 37/46 (1995.01), опубл. 27.10.1995; Патент RU №2048825, А62С 3/08 (1995.01), опубл. 27.11.1995; Патент RU №2104073, А62С 37/00 (1995.01), опубл. 10.02.1998; Патент RU №2288015, А62С 3/00 (2006.01), А62С 37/00 (2006.01) опубл. 27.11.2006).
В этих технических решениях подача огнетушащего состава производится в импульсном режиме из ствольных устройств, а направление движения струи огнетушащего состава корректируется различными способами.
Однако эффективность расходования огнетушащего состава в этих технических решениях крайне низка.
Общий недостаток всех приведенных ранее способов и устройств автоматического импульсного пожаротушения состоит в безвозвратной потере охлаждающего агента, что обуславливает необходимость обеспечения больших его запасов. Очевидно, что при защите протяженных объектов охлаждающего агента потребуется огромное количество.
В работах (Collier P.C.R. Car Parks-Fires Involving Modern Cars and Stacking System. BRANZ Study Report 255. BRANZ Ltd, Judgeford, New Zealand, 2011, 101 p.; Gewain R.G. Fire experience and fire tests in automobile parking structures. Fire Journal, July 1973, pp. 50-54; Murrell J.V., Crowhurst D., Rock P. Experimental study of the thermal radiation attenuation of sprays from selected hydraulic nozzles, Halon Options Technical Working Conference 1995: Albuquerque USA, 1995, Building Research Establishment, 1995, pp. 369-378; Pretrel H., Buchlin J-M. Thermal radiative shielding by water spray curtain. Karman Institute for fluid Dynamics, pp. 432-440; Fire spread in car parks. BD 2552. Department for Communities and Local Government, London, December 2010, 111 p.) описаны экспериментальные исследования распространения пожара между автомобилями в закрытых пространствах. Согласно полученным результатам можно сделать вывод, что основным путем распространения пожара является сценарий:
- загорание салона автомобиля с большим количеством пожарной нагрузки и разрушение остекления горящего автомобиля;
- воздействие теплового потока на соседний автомобиль и воспламенение горючих материалов, составляющих внешнюю отделку рядом стоящего автомобиля.
Основным способом недопущения реализации данного сценария является оборудование автостоянок системами пожаротушения, которые представляют собой разводку водяных трубопроводов с установленными на ней оросителями (распылителями) тонкораспыленной воды, подающейся с потолка помещения (сверху вниз).
Для успешного тушения пожара распыленной водой способ тушения должен удовлетворять следующим основным требованиям:
- покрывать сразу всю площадь горения;
- равномерно распределять поток распыленной воды по площади орошения;
- обеспечивать оптимальную интенсивность подачи распыленной воды на единицу площади горения;
- обеспечивать оптимальный средний размер капель (требуемую степень дисперсности).
Известен способ тушения автомобилей в закрытых автостоянках, принятый за прототип, заключающийся в подаче с потолка (сверху вниз) распыленной водой (G.V. [Roberts G.V. An Experimental Investigation of Thermal Absorption by Water Sprays. Research Report Number 2/2001, ISBN 1-84082-602-9, Home Office, Fire Research and Development Group, Horseferry House, Dean Ryle Street, London, 2001, 38 p.). В этой работе были проведены подобные исследования по тушению автомобилей в автостоянках, однако расстояние между излучающей панелью и датчиком теплового потока, между которыми подавалась распыленная вода, составило 1 м. Данные эксперименты доказывают, что в условиях реальных объектов, где расстояния между горючими веществами гораздо меньше (например, расстояния между автомобилями в закрытых автостоянках составляет 0,5-0,9 м) является существенным недостатком существующих систем пожаротушения распыленной водой, применяемых для защиты помещений различного назначения, в том числе и автостоянок, и характеризуется низким коэффициентом ослабления теплового потока излучаемого очагом горения. Вследствие этого в условиях реального пожара даже при работе систем пожаротушения зачастую происходит его распространение на рядом находящиеся объекты и горючие материалы ограждающих конструкций.
Известно (Е.Н. Иванов, Противопожарная защита открытых установок. М., Химия, 1986, с. 84), что при расчете системы водоотдачи, работающей в режиме пожаротушения, важно как можно точнее определить продолжительность работы системы в этом режиме, частоту возникновения пожаров, вероятность возникновения одновременных пожаров и др. От точности определения этих параметров зависит качество функционирования системы и ее экономическая оправданность.
При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности эффективности расходования распыленной воды далеко не исчерпаны. В частности, анализ современных теоретических представлений о процессах измерения плотности теплового потока при подаче распыленной воды при тушении пожара по всей защищаемой площади в помещениях показал большую перспективу применения заявляемого технического решения.
Задачей настоящего технического решения является повышение эффективности расходования распыленной воды, предназначенной для пожаротушения за счет оптимизации потока огнетушащего средства и экономии воды благодаря пульсирующему режиму его подачи.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе ограничения распространения пожара в помещении, заключающемся в подаче распыленной воды на очаг горения, подача распыленной воды осуществляется импульсно снизу с уровня пола в пульсирующем режиме, причем перерыв между подаваемыми пульсациями распыленной воды зависит от времени испарения капельного потока распыленной воды в газовой фазе очага горения от предыдущей пульсации названного потока.
Технический эффект заявляемого способа заключается в снижении теплового потока при тушении пожара за счет оптимизации потока огнетушащего средства и экономии воды благодаря пульсирующему режиму его подачи.
В работе (А.Н. Баратов. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 219) отмечена высокая эффективность использования распыленной воды. В частности было установлено, что интенсивность снижения скорости реакции пламени и соответственно эффективность его подавления путем увеличения энергии активации химического взаимодействия в пламени и посредством его охлаждения равновелики. Причем охлаждение пламени является даже более перспективным, чем ингибирование, поскольку повышение энергии активации, в отличие от снижения температуры, ограничено молекулярной прочностью компонентов реакции.
Поэтому при тушении распыленной водой необходимо постоянно поддерживать испарение капельного потока распыленной воды в газовой фазе очага горения для интенсивного охлаждения этого очага горения.
Подача распыленной воды импульсно снизу с уровня пола в пульсирующем режиме позволяет сместить вверх по вертикали от уровня пола область турбулентного режима по сравнению с традиционной установкой оросителя наверху.
Создание перерыва между подаваемыми импульсами распыленной воды, равному времени для испарения капельного потока распыленной воды в газовой фазе очага горения предыдущего импульса названного потока, позволяет:
- сократить расход воды, используемой на тушение пожара в помещении;
- значительно повысить коэффициент ее использования (вода не стекает по полу, а полностью испаряется и участвует в предотвращении распространения теплового потока между пожароопасным изделием и (или) предметами и очагом горения при возвращении капель воды при движении потока воды вниз.
По мнению авторов изобретения, признаки, приведенные в формуле изобретения, являются необходимыми и достаточными для достижения указанного технического результата, то есть являются существенными.
Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают условию патентоспособности «новизна».
При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к техническим решениям, связанным с предотвращением распространения пожара между пожароопасными изделиями и предметами с помощью распыленной воды.
Известны способ тушения пожара и устройство для его реализации (Патент RU №2421259, А62С 3/06 (2006.01), опубл. 20.06.2011). Способ состоит в том, что групповыми средствами пожаротушения подводят импульсно прерываемый сжатый воздух к отведенным на каждом этаже пожароопасных сооружений местам хранения индивидуальных средств пожаротушения. Последние выполнены в виде огнетушителей-пульверизаторов, которыми снабжают группы помещений и при использовании которых осуществляют импульсные взрывные выхлопы воздуха, сбивающие языки пламени. Одновременно с выхлопами воздуха осуществляются огнетушащие водно-капельные впрыски, повторно-кратковременные впрыски порошковых облачков или воздушно-механической пены, а при тушении предметов и оборудования, находящего под напряжением, - повторно-кратковременные впрыски пожаротушащего аэрозоля. Групповые средства пожаротушения устройства имеют приспособления для производства и распределения взрывных импульсов сжатого воздуха и шланги с вентилями для состыковки с огнетушителями-пульверизаторами, которые позволяют выдавать импульсные взрывные выхлопы сжатого воздуха через их сопла совместно с впрысками огнетушащих облачков водно-капельных, аэрозольных и воздушно-механической пены.
Недостатком указанного способа является то, что подача в импульсном режиме воздушных потоков может интенсифицировать горение пожарной нагрузки и тем самым приводить к увеличению очагов горения в помещении, а не к сбиванию пламени.
Известна ранцевая установка импульсного пожаротушения (Патент на полезную модель RU №89397, А62С 15/00 (2006.01), В05В 1/30 (2006.01), опубл. 10.12.2012), в которой оператор тушения может изменять скорость истечения струи огнегасящей жидкости и получать струи с различной геометрией распыла.
Однако эта установка предназначена для локального тушения пожаров в малых и нежилых помещениях, а параметры подаваемой огнегасящей жидкости при импульсной подаче из ранцевой установки зависят от опыта оператора тушения.
Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом.
На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.
Осуществление технического решения, заложенного в способе ограничения распространения пожара в помещении, может быть реализовано следующим образом.
При реализации заявляемого технического решения необходимо учитывать следующие сведения.
2
В соответствии с требованиями СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования, с.с. 10-13, 16-17, 71-79 для тушения автомобилей в гаражах и стоянках при удельной пожарной нагрузке от 181 до 1400 МДж/м параметры пожаротушения должны быть следующими:
2
- интенсивность орошения защищаемой площади, не менее чем от 0,12 до 0,18 л/с м;
- расход, не менее 30 л/с;
2
- минимальная расчетная площадь орошения спринклерной автоматической установкой пожаротушения (АУП), не менее 120 м;
- продолжительность подачи воды, не менее 60 мин;
- максимальное расстояние между спринклерными оросителями 4 м (для спринклерных АУП, АУП с принудительным пуском, спринклерно-дренчерных АУП).
Следует отметить, что требования к расстояниям между автомобилями определяются только габаритными размерами транспортных средств. В связи с чем в нормативной документации это условие не рассматривается с точки зрения предотвращения развития пожара. Кроме того, при расчете параметров автоматических установок пожаротушения распыленной водой не учитывается специфика расположения автотранспортных средств в закрытых автостоянках, а также воздействие капель воды на лучистый тепловой поток. При этом большая часть воды попадает на кузов атомобиля, а не в горящий салон.
Недостатком приведенного способа тушения является и то, что при пожаре и автоматическом срабатывании системы пожаротушения распыленной водой происходит рост интенсивности горения очага пожара, которое выражается в увеличении высоты пламени, а главное - в весьма слабом воздействии распыленной воды на тепловой поток при пожаре.
Для подтверждения эффективности расходования распыленной воды, предназначенной для снижения интенсивности тепловых потоков от очага горения за счет оптимизации потока огнетушащего средства и экономии воды благодаря пульсирующему режиму его подачи, были проведены несколько серий испытаний.
Первая серия экспериментов выполнялась в обычном режиме без импульсной подачи воды в пульсирующем режиме.
Испытания по тушению модельного очага горения, имитирующего горящий автомобиль, выполнены на установке, представленной на схеме экспериментальной установки (фиг. 1) для исследования ослабления теплового потока под действием распыленной воды. Установка включает:
1 - баллон с водой; 2 - баллон с газом-вытеснителем; 3 - редуктор; 4 - шланги высокого давления; 5 - запорный вентиль; 6 - манометр; 7 - ороситель; 8 - измеритель плотности теплового потока ИПП-2; 9 - модельный очаг пожара класса 5В; 10 - защитные щиты; 11 - металлическая линейка.
Для экспериментов были выбраны оросители тонкораспыленной воды, типа А и Б, предназначенные для тушения пожаров в помещениях группы 2 по степени опасности развития пожара в зависимости от их функционального назначения и пожарной нагрузки сгораемых материалов (Приложение Б СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования).
Характеристики оросителей (расход воды и диаметр капель в зависимости от давления) устанавливались экспериментально.
На фиг. 2 представлено изменение расхода воды оросителей типа А и Б в зависимости от давления. С увеличением давления повышается средний расход принятых для испытаний оросителей, однако расход воды через ороситель «А» (верхняя кривая) превышает расход оросителя «Б» в среднем в 4 раза.
Анализ результатов измерений средней интенсивности орошения оросителей типа А и Б (фиг. 3) свидетельствует о том, что с увеличением давления у оросителя «А» наблюдается снижение интенсивности (верхняя кривая), даже при условии повышения среднего расхода. Данный факт объясняется увеличением угла распыла, зафиксированного при проведении измерений. У оросителя «Б» изменения угла распыла не наблюдалось, поэтому средняя интенсивность орошения возрастает с увеличением давления.
Результаты измерения диаметра капель (табл. 1) показали, что диаметр капель оросителя «А» в зависимости от давления изменяется незначительно и составляет в среднем 430 мкм. Напротив, у оросителя «Б» с увеличением давления до 0,8 МПа наблюдалось уменьшение диаметра капель более, чем в 4,5 раза от диаметра при давлении 0,2 МПа.
В качестве источника теплового излучения для экспериментов использовался модельный очаг пожара класса 5В в соответствии с ГОСТ Р 51057-2001 «Техника пожарная. Огнетушители переносные. Общие технические требования. Методы испытаний».
Модельный очаг представляет собой круглый противень, изготовленный из листовой стали с внутренним диаметром 450 мм, с толщиной стенки 1,5 мм и высотой борта противня 100 мм.
В качестве горючего материала применялся автомобильный бензин летнего вида, соответствующий требованиям ГОСТ Р 51105-97 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия» марки АИ-92.
Условия проведения экспериментов по исследованию влияния распыленной воды на тепловой поток при подаче ее сверху вниз (эксперименты №№1 и 2) и снизу-вверх (эксперимент №3) представлены в табл 2.
Результаты измерений плотности теплового потока при подаче расыленной воды сверху вниз в зависимости от давления (0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 МПа) представлены на фиг. 4 (ороситель А): иизменение плотности теплового потока под воздействием распыленной воды, подаваемой при различном давлении из оросителя А:  - 0,2 МПа;  - 0,4 МПа;  - 0,6 МПа;  - 0,8 МПа; фиг. 5 (ороситель Б): изменение плотности теплового потока под воздействием распыленной воды, подаваемой при различном давлении из оросителя Б:  - 0,2 МПа;  - 0,4 МПа;  - 0,6 МПа;  - 0,8 МПа. Незначительное ослабление теплового потока на 3,04% и 5,76% было зафиксировано при давлении 0,6 МПа у оросителя А и при 0,4 МПа у оросителя Б, соответственно. В остальных случаях было зафиксировано повышение значения плотности теплового потока при подаче воды.
Увеличение интенсивности горения и, как следствие, повышение плотности теплового потока объясняется попаданием через проемы в защитных щитах дополнительного потока воздуха в зону горения бензина, а также тем, что данный поток воздуха формируется и под воздействием потока распыленной воды, так как повышение плотности теплового потока было зафиксировано в период работы оросителей. Увеличение интенсивности горения бензина может наблюдаться и при попадании в зону горения капель воды, однако посредством использования защитных щитов в экспериментах это было исключено.
По результатам экспериментов можно заключить, что работа системы пожаротушения по ослаблению теплового потока от горящего очага пожара к рядом расположенному изделию или предмету при расположении оросителей на потолке помещения является неэффективной (фиг. 7) влияние распыленной воды, подаваемой сверху вниз на интенсивность горения автомобиля:  - направление движения капель воды;  - условное направление теплового потока, излучаемого нагретыми массами;  - направление движения воздушных масс, влияющих на интенсивность горения. При этом не происходит существенного снижения интенсивности теплового потока на рядом стоящие изделия, а воздушные потоки изделия направляются на очаг пожара.
При изменении условий проведения экспериментов (см. условия эксперимента №3, табл. 2) удалось добиться существенного снижения интенсивности теплового излучения от очага пожара (фиг. 8) влияние распыленной воды, подаваемой снизу вверх на интенсивность горения автомобиля:  - направление движения капель воды;  - условное направление теплового потока, излучаемого нагретыми массами;  - направление движения воздушных масс, влияющих на интенсивность горения.
Оросители были установлены на уровне пола помещения розеткой вверх. Результаты измерений плотности теплового потока представлены на фиг. 6.
Наиболее эффективным является способ подачи распыленной воды с применением оросителей Б: при его работе (полый конус распыла, угол рапыла не более 80°) попадания капель воды в зону горения не наблюдалось. В результате было зафиксировано значительное снижение плотности теплового потока:
- на 44,6% при давлении 0,4 МПа;
- на 48,4% при давлении 0,6 МПа;
- на 48,5% при давлении 0,8 МПа.
Таким образом, за счет расположения оросителя на уровне пола на ~50% снижается воздействие теплового потока от горящего автомобиля на соседние транспортные средства и большая часть объема воды попадает непосредственно в салон автомобиля через разрушенное остекление, при этом уменьшается тепловое воздействие на окружающие изделия и предметы, а также влияние продуктов горения на человека, увеличивая время безопасной эвакуации людей.
Вторая серия экспериментов осуществлялась при подаче воды с пола в непрерывном и импульсно в пульсирующем режиме. При импульсной подаче воды (попеременно расход воды в течение 5 с и прерывание ее подачи в течение 5 с) эффект снижения теплового воздействия на изделия и предметы обусловлен тем, что при таком режиме подачи потока распыленной воды с пола в огнепреграждении участвуют не только капли потока воды, но и водяной туман, образующийся при импульсной подаче воды, который испаряется в течение 5 с (оптимальный период пульсирования установлен экспериментально).
Таким образом, создание перерыва между подаваемыми импульсами распыленной воды равному времени для испарения капельного потока распыленной воды в газовой фазе очага горения предыдущего импульса названного потока позволяет сместить вверх по вертикали от уровня пола область турбулентного режима по сравнению с традиционной установкой оросителя наверху.
На фиг. 9 представлены данные по падению интенсивности теплового потока при подаче распыленной воды с пола при непрерывном и пульсирующем режиме подачи воды.
Как видно значения интенсивности ослабления теплового потока в обоих сериях эксперимента не изменились.
В таблице 3 представлены результаты измерений среднего расхода израсходованной воды при подаче с пола ее в непрерывном режиме и в пульсирующем режиме (попеременно расход воды в течение 5 с и прерывание ее подачи в течение 5 с).
Как следует из таблицы, расход воды при импульсной подаче и достижении снижения теплового потока на 50% от очага горения к поверхности образца и примерно в два был меньше по сравнению с режимом непрерывной подачи воды. При этом коэффициент использования воды оказался близким к 1 по сравнению с коэффициентом ее использования в случае безимульсной подачи с пола.
Следовательно, общее время подачи воды сокращается в два раза и расход уменьшается тоже в два раза, но при этом коэффициент использования воды приближается к 1. При этом эффективность предотвращения распространения потока тепла остается неизменной, поскольку за время прекращения подачи воды поток капель (тумана) распыленной воды сверху не снижается, а возвращается, продолжая перекрывать тепловой поток.
Промышленная применимость заявленного технического решения заключается в следующем.
Выпускаемые в настоящее время в России и за рубежом средства для предотвращения распространения пожара между пожароопасными изделиями и предметами с помощью распыленной воды позволяют реализовать заявляемое изобретение практически без доработки элементов и узлов конструкции выпускаемых установок автоматического пожаротушения.
Заявляемый способ ограничения распространения пожара в помещении прост в эксплуатации и позволяет повысить эффективность расходования распыленной воды, предназначенной для снижения интенсивности теплового потока от горящего изделия (например, автомобиля) за счет оптимизации расхода огнетушащего средства (распыленной воды) и экономии воды благодаря пульсирующему режиму его подачи.