Способ получения самовспенивающейся газонаполненной пены и устройство для его реализации
METHOD OF OBTAINING SELF-FOAMING GAS-FILLED FOAM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области пенного пожаротушения, а именно к тушению пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, охватывающих большие площади горения, крупных резервуаров хранения нефтепродуктов и их проливов на значительной площади.
Известно (А.И. Веселов, Л.М. Мешман. Автоматическая пожаро- и взрывозащита предприятий химической и нефтехимической промышленности. М.: «Химия», 1975, с. 8), что наиболее часто аномально горят нефтепродукты, находящиеся емкостях и резервуарах, так как содержащаяся в нефтепродуктах вода в процессе горения до 100°С и выше вскипает и способствует выбросу горящей массы.
2
Известно, что наиболее распространенным средством тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей является воздушно-механическая пена, получаемая путем подачи под давлением раствора пенообразователя в пеногенератор. При тушении резервуаров с горящим бензином необходимо подавать 114 л 6%-го раствора пенообразователя на 1 м горящей поверхности легковоспламеняющихся жидкостей (Н.П. Копылов Современные пожарные автомобили: проблемы создания, инновационные решения, концепции развития. Средства спасения. Противопожарная защита. Каталог, М, 2005, с. 66-68).
Широко известны способы пожаротушения, включающие подачу в зону горения огнетушащих веществ - жидких, газообразных, в виде порошков (Авторские свидетельства СССР № №1210855; 1155273; 155148; 1516123; 1326284 и др.).
В различных странах были проведены работы по получению и применению водно-газовых пенных составов (Патент Германий №1559679, кл. А62С 99/00, опубл. 16.04.1970; патент Великобритании №1219363, кл. А62С 3/02, опубл. 13.01.1971 и др.).
Газовой фазой этих составов являются хладоны, углекислый газ, азот, выхлопные газы автомобильных и авиационных двигателей. Указанные водогазовые составы подаются на пеногенераторы с образованием пены средней и высокой кратности.
Известен способ пожаротушения (его вариант), устройство для его осуществления (его варианты) и система пожаротушения (Патент RU №2118551, А62С 2/00(1995.01), А62С 35/00 (1995.01), опубл. 10.09.1998, фиг. 3).
Изобретение решается созданием способа пожаротушения путем комплексного воздействия на очаг горения ингибирующего аэрозоля и огнетушащего вещества, которые подаются одновременно из единого устройства в виде потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего вещества. Разработан вариант способа, заключающийся в одновременной или последовательной подаче на очаг горения по меньшей мере из двух разных устройств охлажденного ингибирующего аэрозоля и распыленного в охлажденном аэрозоле огнетушащего порошка и/или огнетушащей жидкости, распыленной аэрозолем. Пожаротушение производят в автоматическом режиме или вручную. Для осуществления предлагаемых вариантов способа пожаротушения разработаны варианты устройств, представляющие собой конструкции, включающие аэрозольный генератор и емкости с огнетушащими порошком или жидкостью, соединенные между собой. На основе предлагаемых способа и устройств разработана система пожаротушения с широким спектром использования, позволяющая сочетать аэрозольное пожаротушение с аэрозольно-порошковым и аэрозольно-жидкостным.
Известно устройство для получения самовспенивающейся газонаполненной пены (Патент RU №2622815, МПК А62С 5/02 (2006.01), опубл. 20.06.2017), принятое за прототип заявляемого устройства.
Сущность данного технического решения заключается в том, что в устройстве для получения самовспенивающейся газонаполненной пены, включающем в себя герметичную емкость, газогенерирующее устройство с твердотопливным зарядом, систему трубопроводов и подающих патрубков, газогенерирующее устройство снабжено зарядом аэрозолеобразующего состава, установлено в верхней части емкости и снабжено газоводной трубой с наружным теплозащитным покрытием, в нижней части газоводной трубы установлен конический рассекатель аэрозольных продуктов горения заряда с радиальными отверстиями, обеспечивающими истечение их в нижнюю часть емкости и барботаж раствора пенообразователя с насыщением раствора огнетушащим аэрозолем, а генератор газогенерирующего устройства выполнен в виде комплекта генераторов аэрозоля, состоящего из двух или более генераторов, имеющих отдельные камеры сгорания с газоводными трубами и включаемых одновременно, последовательно или группами в соответствии с требуемой интенсивностью подачи раствора пенообразователя на очаг горения.
Однако длительное хранение готового раствора пенообразователя в герметичной емкости названного устройства невозможно, так как он распадается на отдельные фракции. Эти данные подтверждены в работе (Н.Д. Гуцев, Н.В. Михайлова, Г.Н. Куприн, Д.С. Куприн, А.В. Виноградов, В.В. Виноградов. Результатами лабораторных исследований свойств быстротвердеющей пены с целью оценки возможности использования ее для создания противопожарных пенных полос. Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства, №1, 2016; http://journal.spb-niilh.ru/pdf/1-2016/spbniilh-proceedings-1-2016-2-full.pdf).
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности работы устройства для получения самовспенивающейся газонаполненной пены, путем обеспечения длительного хранения отдельных компонентов раствора пенообразователя (воды и концентрированного раствора пенообразователя) в раздельных емкостях и подачи этих компонентов при пожаре с помощью раздельных газогенераторов.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе получения самовспенивающейся газонаполненной пены, заключающемся в барботировании продуктов горения через раствор пенообразователя и насыщении указанного раствора газами в герметичной емкости и подачу его в очаг горения с образованием на его поверхности самовспенивающейся газонаполненной пены, при создании раствора пенообразователя концентрированный раствор пенообразователя интенсивно перемешивают с водой в емкости, а затем с задержкой от 3 до 10 с производят подачу полученного раствора пенообразователя в очаг горения.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для получения самовспенивающейся газонаполненной пены, включающем в себя герметичную емкость, газогенерирующее устройство, выполненное в виде комплекта генераторов аэрозоля, состоящего из двух или более генераторов, имеющих отдельные камеры сгорания с газоводными трубами, включаемых одновременно, последовательно или группами в соответствии с требуемой интенсивностью подачи раствора пенообразователя на очаг горения и обеспечивающих истечение продуктов горения генераторов аэрозоля в нижнюю часть емкости и барботаж раствора пенообразователя с насыщением раствора огнетушащим аэрозолем, при этом герметичная емкость заполнена водой, а концентрированный раствор пенообразователя хранится в отдельной емкости, на которой установлено газогенерирующее устройство, аналогичное генераторам, смонтированным на емкости с водой.
Технический эффект, реализуемый заявляемым способом, обуславливается следующим.
Интенсивное перемешивание с водой в емкости концентрированного раствора пенообразователя при создании раствора пенообразователя, а затем осуществление подачи с задержкой от 3 до 10 с полученного раствора пенообразователя в очаг горения позволяет получить оптимальные физико-механические показатели (огнестойкость, растекаемость, оптимальная кратность пены, адгезионная способность, механическая прочность, по показателю динамической вязкости, объемную устойчивость и так далее) самовспенивающейся газонаполненной (быстротвердеющей) пены.
При этом при подаче с задержкой до 3 с в растворе пенообразователя не завершен процесс одновременного протекания реакции поликонденсации смолы в присутствии кислоты, вспенивания, и образующийся на выходе огнезащитный пенный слой имеет неоднородную структуру.
При этом при подаче с задержкой более 10 с раствора пенообразователя через подающий патрубок ухудшаются структурно-механические параметры пены, исходя из общих правил деструкции пен на основе пенообразующих поверхностно активных веществ (http://www.xumuk.ru/colloidchem/200.html).
Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством, обуславливается следующим.
Нахождение в дежурном режиме воды в герметичной емкости, а концентрированного раствора пенообразователя в отдельной емкости, позволяет обеспечить длительное хранения отдельных компонентов раствора пенообразователя.
Установка газогенерирующего устройства, аналогичного генераторам, смонтированным на емкости с водой, позволяет осуществить подачу этих компонентов раствора пенообразователя при пожаре с помощью раздельных газогенераторов.
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 критерию «новизна».
При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к области пенного пожаротушения.
Известна система пожаротушения, включающая инициирующее устройство, источник давления, резервуар с водой, трубопроводы, распылители. Распыление воды происходит под давлением газообразных продуктов при срабатывании инициирующего устройства (заявка РФ №94032661, А62С 3/10, опубл. 20.06.1996).
Известны способ и система пожаротушения, основанные на использовании аэрозольных газогенераторов, при этом аэрозоль предварительно охлаждается с помощью воды, азота или углекислого газа (Европатент №0561035, A62D 1/100).
Однако все указанные системы используют в качестве пожаротушащего вещества только одно средство - либо аэрозоль, либо воду.
Известно устройство пожаротушения и системы на его основе (заявка РФ №94002970 А62С 35/00, опубл. 20.06.1996). Система включает средства обнаружения загорания, устройства для тушения и средства задействования указанных устройств. При использований в конструкций аэрозольно-жидкостного генератора с дополнительным эжекторным устройством вся система пожаротушения становится громоздкой и сложной в эксплуатации.
Известна портативная установка получения компрессионной (газонаполненной) пены (А.А. Кректунов, М.Р. Шавалеев, В.В. Батюшев, А.В. Бикулов, С.И. Осипенко, уральский институт ГПС МЧС России, Екатеринбург. Техносферная безопасность, 2016 №2(11); URL: http://uigps.ru/content/nauchyy-zhurnal) в которой не предусмотрено длительное хранение компонентов раствора пенообразователя.
Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом и устройством.
На основании изложенного, можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.
Осуществление технического решения может быть реализовано следующим образом.
При реализации заявляемого технического решения необходимо учитывать следующие общеизвестными сведениями из уровня техники.
В работе (Е.Н. Иванов, Противопожарная защита открытых технологических установок, издание 2-е переработанное и дополненное. М., Химия, 1986, с. 210-220) приведены примеры стационарных установок тушения пожаров воздушно-механической пеной. В этой работе (с. 210) отмечено, что ранее в практике проектирования и строительства установок автоматического пожаротушения резервуаров с нефтью и продуктами ее переработки широкое распространение нашла установка противопожарной защиты, включающая в себя насосную станцию с двумя группами насосно-силового оборудования (для подачи воды и водного раствора пенообразователя), резервуары для хранения запаса воды, две нитки водопроводной сети (для подачи воды и водного раствора пенообразователя), колодцы и камеры для размещения запорно-пусковой арматуры и контрольно-пусковых узлов для включения подачи водного раствора пенообразователя в стационарные генераторы пены и так далее.
Однако, по мнению авторов изобретения, эти установки имеют сложную конструкцию, а их сооружение требует значительных капитальных затрат.
Известно (Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/gorenie-poristykh-gazogeneriruyushchikh-i-aerozoleobrazuyushchikh-sostavov-dlya-sredstv-pozh#ixzz58TvA6Y8k), что газогенерирующие устройства находят все более широкое применение в современных образцах военной и космической техники. Наибольшее распространение они получили в качестве средств наддува различных объектов:
- продувка баков ракет перед стартом;
- наддув спасательных плотов, желобов, жилетов, средств подъема затонувших объектов;
- раскрутка роторов гирокомпасов;
- создание рабочих сред газодинамических лазеров (ГДЛ) и так далее.
В качестве средств наддува традиционно применяются газобаллонные устройства. Однако в последние 10-15 лет все шире применяются более эффективные пиротехнические газогенераторные устройства.
Основные преимущества пиротехнических газогенераторов перед газобаллонными устройствами:
- высокая надежность срабатывания за счет невозможности утечки газа при длительном хранении;
- возможность обеспечения при необходимости высоких скоростей наддува (2-3 м3/сек), за счет применения высокоэнергетичных газообразующих составов;
- большие гарантийные сроки хранения (10-15 лет);
- существенное упрощение технического обслуживания во время эксплуатации из-за отсутствия необходимости контроля утечки газа;
- низкая металлоемкость изделий, так как рабочее давление газогенераторов 2-4 МПа, тогда как у ГБУ - 10-15 МПа и газогенерирующие устройства не требуют применения толстостенных металлических корпусов.
Известно (Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/gorenie-poristykh-gazogeneriruyushchikh-i-aerozoleobrazuyushchikh-sostavov-dlya-sredstv-pozh#ixzz58TP2ozFq), что современные аэрозольные средства по основным технико-экономическим показателям (высокая огнетушащая способность, автономность, возможность автоматического приведения в действие, простота в эксплуатации, минимальный ущерб при применении) превосходят все средства, ранее используемые для тушения пожара. При этом в двухфазной системе аэрозоля газообразный компонент, как правило, смесь инертных газов, не поддерживает горение, а свежеобразованные высокодисперсные твердые частицы обладают высокой огнетушащей способностью.
Ранее было установлено (Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/gorenie-pirotekhnicheskikh-gazogeneriruyushchikh-sostavov-i-razrabotka-ustroistv-dlya-sredst#ixzz58TbRw8fs), что в зависимости от способа создания рабочего давления различают три основных типа огнетушителей: закачные, с газобаллонным устройством и с газогенерирующим устройством (ГГУ).
Огнетушители с газогенератором имеют существенные преимущества перед огнетушителями с газовым баллоном и перед огнетушителями закачного типа:
При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности повышения эффективности устройств для получения самовспенивающейся газонаполненной (быстротвердеющей) пены далеко не исчерпаны. В частности, анализ современных теоретических представлений о процессах получения раствора пенообразователя после длительного хранения его компонентов показал большую перспективу применения заявляемого технического решения.
На фигуре представлено устройство, реализующее заявляемый способ в дежурном режиме.
Устройство включает в себя герметичную емкость 1, заполненную водой 2. В верхней части емкости 1 установлено газогенерирующее устройство 3, выполненное в виде комплекта генераторов аэрозоля, состоящего из двух или более генераторов, имеющих отдельные камеры сгорания. Каждое газогенерирующее устройство 3 имеет заряд 4, при сгорании которого образуются газообразные продукты горения.
Напротив каждого газогенерирующего устройства 3 на емкости 1 смонтировано устройство воспламенения 5 заряда 4.
Камеры сгорания генератора соединена с соответствующей газоводной трубой 6 с наружным теплоизолирующим покрытием.
В нижней части емкости 1 смонтирован трубопровод 7 для доставки раствора пенообразователя к подающему патрубку 8, выполненному в виде струйного трубчатого плоского распылителя.
Сама емкость 1 и все ее элементы жестко закреплены на подставке 9.
Устройство имеет отдельную емкость 10 для хранения концентрированного раствора пенообразователя 11.
На емкости 11 установлено газогенерирующее устройство 12, аналогичное генераторам 3, смонтированным на емкости 1 с водой 2.
Газогенерирующее устройство 12 имеет заряд 13, при сгорании которого образуются газообразные продукты горения.
Напротив газогенерирующего устройства 12 на емкости 10 смонтировано устройство воспламенения 14 заряда 13.
В нижней части емкости 10 смонтирован трубопровод 15 для доставки концентрированного раствора пенообразователя 11 в нижнюю часть емкости 1 в зону подготовки раствора пенообразователя.
Сама емкость 10 и все ее элементы жестко закреплены на подставке 16.
Устройство работает следующим образом.
При возникновении пожара по сигналу от датчика загорания или вручную активируют устройство воспламенения 14, в результате чего срабатывают соответствующий заряд 13 газогенерирующего устройства 12.
Концентрированный раствор пенообразователя 11 вытесняют из емкости 10 за счет создаваемого избыточного давления продуктами горения аэрозольобразующего состава заряда 13. Затем концентрированный раствор пенообразователя 11 поступает в нижнюю часть емкости 1, где в зоне подготовки раствора пенообразователя производят смешение воды 2 и названного концентрированного раствора.
Перемешивание компонентов (воды 2 и концентрированного раствора пенообразователя 11) при подготовке раствора пенообразователя производится, в зависимости от давления в емкости 1, за время от 3 до 10 с.
После этого активируют устройство воспламенения 5, в результате чего срабатывают соответствующий заряд 4 газогенерирующего устройства 3.
Продукты горения заряда 3 проходят по газоводной трубе 6 в нижнюю ее часть емкости 1.
В зоне подготовки раствора пенообразователя производят дополнительное интенсивное перемешивание воды 2 и концентрированного раствора пенообразователя 11 за счет пузырьков газа, содержащих продукты горения аэрозольобразующего состава заряда 3. Эти пузырьки газа барботируют в зоне подготовки раствора пенообразователя.
Одновременно при барботировании продуктов горения заряда 3 через раствор пенообразователя происходит насыщение указанного раствора газами, содержащими конденсированные частицы солей калия. Размер аэрозольных частиц составляет несколько микрон.
Известно применение огнетушащих порошков на основе минеральных солей щелочных металлов в аэрозольных составах (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 364).которые обладают высокой ингибирующей способностью (Большая советская энциклопедия, т. 27, с 265 и далее; А.Н. Баратова, А.П. Вогмана «Огнетушащие порошковые составы», М., Стройиздат, 1982, с. 66).
2
4
2
4
Наиболее эффективными для этих целей являются соли щелочных металлов калия И цезия, например, сульфат калия (KSO) и сульфату цезия (CsSO), обладающие наибольшим значением коэффициентов рекомбинации атомарных частиц водорода и кислорода, являющихся активными центрами цепных реакций при горении.
В настоящем изобретении используются соли щелочного металла калия, которые являются более доступными.
Эти соли образуются в заявляемом техническом решении при горении аэрозольобразующего состава каждого из отмеченных ранее зарядов.
Ранее было установлено (Патент RU №2622815, МПК А62С 5/02 (2006.01), опубл. 20.06.2017), что при осуществлении тушения нефтепродуктов происходит частичное разрушение пены от действия высокой температуры на поверхности горящей жидкости, при этом частицы солей калия, находящиеся над жидкостью, образуют защитный аэрозольный слой - одеяло, ингибируют процесс пламенного горения и прекращают его. Это резко повышает эффективность пожаротушения и, таким образом, осуществляется одновременно пенный и аэрозольный способ пожаротушения
В дальнейшем после интенсивного перемешивания воды 2 и концентрированного раствора пенообразователя 11, и насыщения названных компонентов газами, содержащими конденсированные частицы солей калия, получают готовый раствор пенообразователя, который доставляют из нижней части емкости 1 по трубопроводу 7 к подающему патрубку 8, после чего названный раствор пенообразователя подают через струйный трубчатый плоский распылитель на горящую поверхность.
При поступлении на горящую поверхность раствора пенообразователя получают самовспенивающуюся газонаполненную (быстротвердеющую) пену. Ранее было установлено (Апробация новых огнетушащих химических составов и разработка рекомендаций по их применению: отчет о НИР (заключ.) / ФБУ «СПбНИИЛХ»; рук. Гуцев Н.Д.; исполн.: Арцыбашев Е.С., Михайлова Н.В., Корчунова И.Ю. - СПб., 2014. - 254 с. - Библиогр.: с. 112-120. - № ГР 01201255954. - Инв. №215022440055, 11), что самовспенивающаяся газонаполненная (быстротвердеющая) пена способна полимеризироваться за короткий промежуток времени. Время отверждения меняют путем подбора соотношения компонентов пены 17. Это подтверждается данными, приведенными в известных технических решениях (Патент RU №2590379, С01В 33/16 (2006.01), опубл. 10.07.2016; Патент RU №2645542, А62С 3/02 (2006.01), опубл. 21.02.2018).
2
Для проверки эффективности заявляемого технического решения были проведены экспериментальные исследования по тушению 46 тонн горящего бензина на площади 1350 м.
Результаты испытаний показали, что:
- раздельное размещение компонентов раствора пенообразователя (воды - в герметичной емкости, концентрированного раствора пенообразователя - в отдельной емкости) обеспечивает длительное хранение этих компонентов;
- наилучшая структура раствора пенообразователя, полученного при перемешивании его компонентов (в зависимости от создаваемого давления в герметичной емкости), наблюдается за время от 3 с до 10 с с момента начала процесса перемешивания названных компонентов.
- при поступлении на горящую поверхность раствора пенообразователя наблюдается быстрое образование самовспенивающейся газонаполненной (быстротвердеющей) пены. Время образования (отверждения) пены, как было установлено ранее (Патент RU №2590379, С01В 33/16 (2006.01), опубл. 10.07.2016; Патент RU №2645542, А62С 3/02 (2006.01), опубл. 21.02.2018), зависит от температуры горящей поверхности и количества кислотного отвердителя, добавляемого на конечной стадии создания быстротвердеющей пены;
- тушение очага пожара наблюдалось за время от 20 с до 70 с (при силе ветра до 15 м/с) с момента начала процесса подачи раствора пенообразователя в названный очаг.
Промышленная применимость заявляемого технического решения различные заключается в следующем.
Выпускаемые в настоящее время в России и за рубежом устройства для получения самовспенивающейся газонаполненной (быстротвердеющей) пены позволяют реализовать заявляемое изобретение, проведя доработку элементов и узлов их конструкции, которая в некоторых случаях для заявляемого технического решения будет незначительной.
Хранения отдельных компонентов раствора пенообразователя (воды и концентрированного раствора пенообразователя) в раздельных емкостях позволяет использовать эти компоненты длительное время, что существенно сказывается на экономических показателях заявляемого способа.
Так, например, устройство для получения самовспенивающейся газонаполненной пены (Патент RU №2622815, МПК А62С 5/02 (2006.01), опубл. 20.06.2017) и многие другие подобные устройства не обеспечивают длительное хранение готового раствора пенообразователя в герметичной емкости, так как этот раствор распадается на отдельные компоненты.
Существующие способы и устройства позволяют контролировать процесс горения аэрозольобразующего состава в газогенераторе. В настоящее время разработан новый тип пиротехнических газообразующих составов (,Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/gorenie-poristykh-gazogeneriruyshchikh-i-aerozoleobrazuyushchikh-sostavov-dlya-sredstv-pozh#ixzz58TPaNejA). способных устойчиво, без перехода во взрыв гореть в режиме вынужденной фильтрации продуктов реакции через несгоревшую часть пористого заряда и обладающих рядом уникальных свойств, такими как низкая температура генерируемого газа и высокие безопасностные характеристики; доказана возможность использования в данном режиме горения рецептур, не способных к самостоятельному горению по традиционной схеме с кондуктивным теплопереносом.
Разработаны конструкции газогенераторов с температурой газа на выходе менее 150°С, отличающиеся простотой устройства и обеспечивающие заданный, в том числе и пульсирующий, расход газа. Предложен способ регулирования скорости горения составов с помощью конструктивных параметров газогенератора.
Указанные конструкции газогенераторов можно применить в заявляемом техническом решении при подаче как компонентов раствора пенообразователя, так и самого пенообразователя с помощью раздельных газогенераторов.
Заявляемое техническое решение просто в эксплуатации и позволяет повысить эффективность получения самовспенивающейся газонаполненной пены, путем обеспечения длительного хранения отдельных компонентов раствора пенообразователя (воды и концентрированного раствора пенообразователя) в раздельных емкостях.