Устройство для объемного аэрозольного пожаротушения
DEVICE FOR VOLUMETRIC AEROSOL FIRE EXTINGUISHING

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к генераторам огнетушащего аэрозоля, обеспечивающим подавление возгорания за счет воздействия на очаг аэрозольной струи, образующейся при сжигании твердого заряда аэрозолеобразующего состава (АОС).
Известно «Устройство для объемного тушения пожаров» по патенту РФ №2201779 (опубл. 10.04.2003, МПК А62С 13/22), которое содержит соосные цилиндр охлаждения и закрытый крышкой с щелевыми отверстиями корпус, в котором размещены пиротехническая шашка в виде твердого заряда аэрозолеобразующего состава (АОС) с воспламенителем и выполнен ресивер. Цилиндр охлаждения закреплен на корпусе с эжекционным зазором, а выходные отверстия выполнены в виде радиальных щелей.
В устройстве по патенту РФ 2201779 отсутствует блок охладителя внутри камеры сгорания, а снижение температуры обеспечивается при смешении плоских струй аэрозоля, истекающих из щелевых отверстий, с воздухом в наружном цилиндре охлаждения.
Недостатком устройства по патенту РФ 2201779 является ограниченная возможность регулирования характеристик генератора огнетушащего аэрозоля (ГОА) по массовому секундному расходу продуктов сгорания и времени работы. Эти характеристики регулируются, в том числе, за счет изменения давления в камере сгорания. При необходимости увеличения давления приходится уменьшать ширину радиальных щелей, что может привести к их перекрытию (зашлаковке) твердыми частицами продуктов сгорания АОС и нарушению нормального режима работы генератора.
Вследствие того, что струя, независимо от того, является она плоской (при истечении из щелевого сопла) или конической (при истечении из цилиндрического или конического сопла) имеет определенный угол расширения, может произойти их натекание на внутреннюю стенку цилиндра охлаждения, что приведет к перекрытию эжекционного зазора для подсоса охлаждающего воздуха.
Также следует отметить наличие ограничения по характеристикам применяемых рецептур АОС для регулирования характеристик ГОА, в частности, температуры аэрозольной струи и массового секундного расхода продуктов сгорания (интенсивности подачи). Как правило, для уменьшения температуры продуктов сгорания рецептуры АОС подобраны таким образом, что в их составе количество горючих компонентов в составе превышает количество кислорода, необходимого для их окисления. Такие составы называются составами с отрицательным кислородным балансом, у этих составов коэффициент избытка окислителя α<1. Большая часть применяемых в настоящее время рецептур АОС имеет отрицательный кислородный баланс.
Например, известен состав СТК-2МД (α=0,42-0,45), содержащий (% массовый): нитрат калия - 65±5, идитол - 12, дициандиамид - 20±5, охлаждающие и технологические добавки - 1- 10 (сверх 100%) [Агафонов В.В., Копылов Н.П. Вопросы проектирования, монтажа и эксплуатации установок аэрозольного пожаротушения. -М.:ВНИИПО, 2001].
Известен также состав СБК-2М (α=0,44-0,46), содержащий (% массовый): нитрат калия - 76, каучуки (дивинилстирольный, бутилкаучук) - 12, идитол - 12, охлаждающие и технологический добавки - 2-15 (сверх 100%) [Там же]
Известен состав КЭП (α=0,62), содержащий (% массовый):
нитрат калия 70,4, дициандиамид - 16,5, эпоксидная смола 5,2, идитол - 6,5, технологические добавки - 1,4 [Паспорт безопасности химической продукции РПБ №69229756 48 33892].
При применении АОС с отрицательным кислородным балансом может иметь место явление догорания избытка горючих компонентов продуктов сгорания уже после окончания работы генератора (после окончания горения твердого заряда). Явление догорания наступает в том случае, если часть недоокисленных продуктов, таких, например, как окись углерода СО, не успевает покинуть камеру сгорания вместе со струей аэрозоля, а остается внутри камеры. Если температура в камере достаточно высока, то происходит повторная вспышка и догорание остатков недоокисленных продуктов при соединении с кислородом окружающего воздуха уже после окончания горения заряда АОС.
Явление догорания представляет собой опасность, так как образующийся факел пламени может привести к повторному воспламенению горючих материалов внутри защищаемого помещения, но уже после окончания работы ГОА.
Известен патент РФ №2201774 «Аэрозолеобразующий состав и генератор огнетушащего аэрозоля» (опубл. 10.04.2000, МПК А62С 3/00, 13/22 и A62D 1/00). Для исключения явления догорания, в патенте РФ 2201774 предлагается использовать аэрозолеобразующие составы с нулевым или слабо положительным кислородным балансом. Однако такое решение приводит к другим недостаткам - повышению температуры продуктов сгорания, а заявленный в данном патенте состав предназначен только для конкретной конструкции генератора, при использовании которой также не обеспечивается регулирование характеристик ГОА по массовому секундному расходу (интенсивности подачи).
Известно «Устройство для тушения пожаров» по патенту РФ №2116090 (опубл. 27.07.1998, МПК А62С 13/00). Известное устройство содержит термозащищенный корпус, средство инициирования и аксиально последовательно расположенные заряд АОС, камеру сгорания, цилиндр охлаждения внутри камеры сгорания, заполненный газопроницаемым абляционным слоем и закрытый крышкой в виде усеченного конуса с распределенными выходными отверстиями для формирования струйного истечения потока аэрозоля.
Недостатком известного устройства является наличие блока охладителя для снижения температуры струй аэрозоля. При прохождении через слой охладителя часть активных твердых частиц аэрозоля оседают на поверхности слоя охладителя и, соответственно, не попадают в защищаемый объем, что приводит к снижению огнетушащей способности генератора
Другой недостаток состоит в том, что при применении в известном устройстве зарядов, рецептура которых имеет отрицательный кислородный баланс, может иметь место явление догорания недоокисленных продуктов сгорания после окончания работы генератора при соединении с кислородом окружающего воздуха. В случае ложного срабатывания ГОА факел пламени, образующийся при догорании, может привести к повреждению защищаемого оборудования, поэтому процесс догорания необходимо исключить.
По наличию общих существенных признаков и достигаемому техническому результату наиболее близким техническим решением является « Устройство для тушения пожаров» по патенту РФ 2116090, которое и выбрано в качестве прототипа.
Применение составов с нулевым или слабоположительным кислородным балансом, как отмечалось выше, приводит к повышению температуры огнетушащего аэрозоля.
Для того чтобы снизить температуру внутри камеры сгорания ниже температуры воспламенения недогоревших компонентов необходимо большее количество охладителя по сравнению с тем, которое требуется для снижения температуры струй на выходе из генератора. Дополнительное количество охладителя приводит к еще большему падению огнетушащей способности генератора и увеличению массы конструкции.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение огнетушащей способности генератора огнетушащего аэрозоля с применением аэрозолеобразующих составов, имеющих отрицательный кислородный баланс.
К техническому результату, достигаемому при использовании предлагаемого устройства, следует отнести:
- повышение огнетушащей способности при сохранении температурного уровня аэрозольной струи;
- обеспечение эффективного отвода тепла для предотвращения догорания недоокисленных продуктов сгорания аэрозольных составов с отрицательным кислородным балансом.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для объемного аэрозольного пожаротушения, содержащее термозащищенный корпус, узел электрического запуска, аэрозолеобразующий заряд, закрепленный в корпусе, внутри корпуса сформирована камера сгорания, корпус снабжен днищем и сопловой крышкой, выполненной в виде усеченного конуса с отбортовкой и с сопловыми отверстиями, распределенными по боковой поверхности, отличающееся тем, что узел запуска выполнен в днище, свободное пространство с функцией камеры сгорания сформировано вокруг заряда с отрицательным кислородным балансом, сопловая крышка в форме усеченного конуса выполнена с углом наклона боковой поверхности от 10 до 15 градусов, а на торцевой поверхности заряда со стороны сопловой крышки выполнена полость, заполненная веществом, разлагающимся с поглощением тепла и образованием продуктов, не поддерживающих горение, и изолированная с открытой стороны негорючим материалом, устройство дополнительно снабжено эжектирующей насадкой, закрепленной на корпусе со стороны сопловой крышки.
Заряд в предлагаемом устройстве может быть выполнен в виде цилиндрической шашки с осевым каналом, при этом полость предпочтительнее выполнять в средней части торцевой поверхности заряда в виде круговой проточки.
Также аэрозолеобразующий заряд может быть выполнен в виде цилиндрической бесканальной шашки, тогда полость предпочтительнее выполнять по оси заряда в виде глухого отверстия.
В качестве вещества, разлагающегося с поглощением тепла и образованием продуктов, не поддерживающих горение, могут быть использованы, например, кислый углекислый калий, а также азосоединения, или сульфонилгидразины, или нитроазосоединения, или азиды кислот.
Использование всей совокупности существенных признаков устройства позволило:
- исключить процесс догорания продуктов сгорания АОС с отрицательным кислородным балансом после окончания работы ГОА;
- увеличить огнетушащую способность генератора;
- обеспечить возможность повышения массового секундного расхода при использовании составов с отрицательным кислородным балансом (α<1).
При этом достигнута конструктивная возможность обеспечения струйного истечения из генератора, при котором отдельные струи не сливаются между собой и не пересекаются с внутренней поверхностью цилиндра охлаждения в пределах длины начального участка каждой отдельной струи, что обеспечивает сохранение температуры на выходе из генератора на приемлемом уровне при уменьшении массы устройства и сохранении или даже уменьшении габаритов.
Конструкционные особенности предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства (разрез), где заряд выполнен в виде цилиндрической шашки с осевым каналом, а полость выполнена в средней части торцевой поверхности заряда в виде круговой проточки.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства (разрез), где заряд выполнен в виде цилиндрической бесканальной шашки, а полость выполнена в виде глухого отверстия по оси заряда.
Устройство включает корпус 1 с днищем 2 и конической сопловой крышкой 3 с углом наклона боковой поверхности 10-15 градусов, в корпусе 1 размещен заряд аэрозолеобразующего состава 4 с осевым каналом 5 (на фиг. 1), а узел запуска 6 размещен в днище 2. Вокруг заряда 4 сформировано свободное пространство 7 с функцией камеры сгорания. На боковой поверхности крышки 3 выполнены отверстия 8 для выхода аэрозоля. В средней части торцевой поверхности заряда 4 выполнена полость 9 в виде круговой проточки (на фиг. 1). На фиг. 2 представлен заряд 4, выполненный в виде цилиндрической бесканальной шашки, а полость 9 выполнена в виде глухого осевого отверстия. Полость 9 (фиг. 1 и фиг. 2) заполнена веществом 10, разлагающимся с поглощением тепла и образованием продуктов, не поддерживающих горение. С открытой стороны полость 9 изолирована негорючим материалом 11.Заряд удерживается в корпусе с помощью диафрагмы 12, пружины 13 и колпачка 14. На корпусе 1 со стороны сопловой крышки закреплена эжектирующая насадка 15.
Границы струй аэрозоля, истекающих из сопловых отверстий через эжектирующую насадку 1, обозначены позицией 16.
Работа устройства происходит следующим образом. Узел запуска 6 генератора с корпусом 1, срабатывает автоматически от системы противопожарной защиты или приводится в действие вручную. Поджигается заряд 4. Горение заряда происходит в свободном пространстве 7 с функцией камеры сгорания параллельными слоями по неизолированным поверхностям, включая осевой канал 5 заряда 4 на фиг. 1. Торцевая поверхность заряда со стороны сопловой крышки 3 защищена от горения негорючим материалом 11. Течение продуктов сгорания происходит в направлении от днища 2 к сопловой крышке 3. В процессе работы заряд удерживается от перемещений с помощью диафрагмы 12, пружины 13 и колпачка 14. Фронт горения достигает поверхностей, которые образуют полость 9 (в виде проточек), которая вскрывается, и в реакцию вступает вещество 10, которое разлагается с поглощением тепла и образует продукты, не поддерживающие горение. В результате процесс догорания недоокисленных продуктов, образующихся при применении рецептур АОС с отрицательным кислородным балансом, после окончания работы ГОА исключается.
Образовавшиеся при сгорании заряда продукты истекают через отверстия 8, которые выполнены на боковой поверхности конической сопловой крышки, угол наклона которой от 10 до 15 градусов. При таком угле наклона поверхности крышки с отверстиями струи не пересекаются между собой. При отсутствии пересечения струй, каждая из них сохраняет свои автономные характеристики, в том числе, малую длину высокотемпературного начального участка по сравнению с вариантом, когда струи сливаются, и длина высокотемпературной зоны увеличивается.
Струи аэрозоля, с границами, условно изображенными на чертежах - позиция 16, проходя через цилиндрическую насадку 15, охлаждаются, смешиваются с эжектируемым извне воздухом и поступают в защищаемый объем, подавляя очаг пожара.
Для проверки работоспособности и достижения указанного технического результата с использованием АОС с отрицательным кислородным балансом были проведены испытания образцов предлагаемого устройства, соответствующего формуле изобретения.
В качестве аэрозольного состава с отрицательным кислородным балансом использовали состав КЭП (α=0,62), содержащий (% массовый):
нитрат калия 70,4, дициандиамид - 16,5, эпоксидная смола 5,2, идитол - 6,5, технологические добавки -1,4 [Паспорт безопасности химической продукции РПБ №69229756 48 33892].
В качестве вещества для заполнения канальных проточек использовали азодикарбонамид, разлагающееся с поглощением тепла и образованием продуктов, не поддерживающих горение.
Для сравнения были испытаны:
- устройство по прототипу без полости 9, в заряде отсутствовала полость, заполненная веществами, разлагающимися с поглощением тепла и образованием продуктов, не поддерживающих горение;
- устройства по формуле изобретения (показаны на чертеже фиг. 1 и фиг. 2). В обоих случаях заряд был изготовлен из состава одинаковой рецептуры, имеющей отрицательный кислородный баланс (коэффициент избытка окислителя равен 0,62).
На фото. 1 представлены фрагменты видеорегистрации работы генератора по прототипу. На левом фото - истечение аэрозоля в процессе работы. На правом фото -момент, соответствующий окончанию работы. Отчетливо видно пламя, образовавшееся в результате догорания недоокисленных продуктов.
На фото 2 представлены фрагменты видеорегистрации работы генератора с зарядом, конструкция которого выполнена согласно предложенному техническому решению. Отверстия для истечения аэрозоля выполнены на боковой поверхности конической сопловой крышки с углом наклона 10, 12 и 15 градусов (результат испытаний для всех указанных случаев идентичен, представленному на фото 2). На левом фото -истечение аэрозоля в процессе работы. На правом фото - момент, соответствующий окончанию работы. Процесс догорания отсутствует.
Испытания опытных образцов по определению огнетушащей способности и температуры струи на выходе из генератора проводились в соответствии с ГОСТ Р 53284-2009. Испытания проводились для двух вариантов, отличающихся по массе аэрозолеобразующего заряда, и одинаковых по конструктивно-компоновочной схеме. Результаты испытаний представлены в таблице. Образец 1 - заряд бесканальный с полостью в виде глухого отверстия по оси заряда. Образец 2 - заряд канальный с круговой проточкой.
Сравнение характеристик предлагаемого устройства с характеристиками прототипа представлены в таблице.
*Пояснение. Чем ниже значение огнетушащей способности в таблице, тем лучше!
Испытания предлагаемых генераторов с измененным углом наклона конической крышки относительно заявленного показало:
- угол наклона 8 градусов (меньше заявленного) приводит к слиянию отдельных струй, истекающих из отверстий (8), и приводит к увеличению длины высокотемпературного участка на выходе из ГОА.
- угол наклона 17 градусов (выше заявленного) обуславливает натекание струй на внутреннюю стенку эжектора, что также приводит к увеличению длины высокотемпературного участка на выходе из ГОА.
Из таблицы следует, что испытания, проведенные по стандартной методике в соответствии с ГОСТ Р 53284-2009, показали:
3
- при одинаковом защищаемом объеме (25 м) предложенное техническое решение обеспечивает увеличение огнетушащей способности генератора по сравнению с прототипом в 2,35 раза и преимущество по массе устройства в 1,57 раза;
- при этом температура на выходе генератора для образца 1 в пределах погрешности измерения остается практически такой же, как у прототипа, а для образца 2 незначительно превышает ее, но остается на приемлемом уровне.
- предложенное техническое решение позволило повысить огнетушащую способность генератора в 2,4 раза и обеспечило возможность повышения показателя массового секундного расхода аэрозоля при сохранении значений температуры аэрозольной струи.
Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что предложенное техническое решение явным образом не следует из уровня техники и соответствует критериям патентоспособности по действующему законодательству.