СПОСОБ ГАШЕНИЯ ПЛАМЕНИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАДЕРЖАНИЯ ОГНЯ И СВОБОДНОГО ПРОХОЖДЕНИЯ ГАЗОВ
METHOD OF FLAME EXTINGUISHING OF COMBUSTIBLE GASES, AND DEVICE FOR FIRE RETENTION AND GASES FREE PASSAGE

Изобретение относится к области противопожарной техники и может быть использовано в различных системах хранения и транспортировки пожароопасных и взрывоопасных продуктов с целью предотвращения экологических катастроф. В частности, изобретение относится к способам создания преград, препятствующих распространению пламени в канале для отвода горючих газов или газовоздушной смеси.
Известны огнепреградители различных конструкций (И.И. Стрижевский и В.Ф. Заказнов. Промышленные огнепреградители. М.: Химия, 1974 - 262 с.). Всех их объединяет один общий недостаток: большое гидравлическое сопротивление, что затрудняет их использование для горючих газов низкого давления.
Одновременно для огнепреграждения быстрогорящих смесей, например газовоздушных смесей метана или газовоздушных смесей водорода, необходимы огнепреграждающие насадки (элементы) с размером критического диаметра каналов 2,9 мм и 0,7 мм соответственно при гасящей способности огнепреградителей по критерию Пекле <65 (А.И. Веселов, Л.М. Мешман. Автоматическая пожаро- и взрывозащита предприятий химической и нефтехимической промышленности. М.: «Химия», 1975, с.100). Габариты огнепреградителя при этом должны быть значительны при больших расходах среды. Чтобы огнепреграждающие насадки (элементы) не прогорали, толщина их должна быть значительной, что увеличивает сопротивление потоку среды.
Известен огнепреградитель (Авторское свидетельство СССР №589992, кл. А62С 3/04, опубл. 30.04.1978), содержащий проницаемые для потока газа огнепреграждающие насадки (элементы). Огнепреграждающие насадки (элементы) имеют высокое сопротивление потоку газовой среды, так как в них используются пористые изделия в виде засыпки мелкозернистого тугоплавкого материала, пористую металлокерамику с пористостью не более 30…50%, сетки, волокнистые материалы.
Известен огнепреградитель (Патент SU №588986, кл. А62С 3/04, опубл. 25.01.1978), содержащий корпус, выполненный из основания и крышки, между которыми расположен огнепреграждающий элемент кассетного типа.
Недостатком известного технического решения является сравнительно невысокая эффективность подавления пламени за счет того, что через узкие каналы свободно проходит и горючая смесь, и пламя может распространяться на всю высоту огнепреграждающих элементов.
Известен огнепреградитель (Патент RU №2311935, кл. А62С 4/02, 3/06) для гашения паровоздушных горючих смесей, например, в сбросных свечах, содержащий огнепреграждающие элементы, расположенные с зазором относительно друг друга в осевом направлении в корпусе с входным и выходным отверстиями. Огнепреграждающие элементы из пористого материала выполнены в направлении от входного к выходному отверстиям корпуса с увеличением их толщины, расстояния между ними и размера поровых каналов, причем огнепреграждающие элементы выполнены из высокопористого открыто ячеистого термостойкого керамического металлического материала с канальной пористостью.
Недостатком известного устройства являются значительные габаритные размеры при больших расходах среды.
Известен огнепреградитель (Авторское свидетельство СССР №126650, А62С 3/04), содержащий корпус с входным и выходным патрубками и установленные в корпусе огнепреградительные элементы. Устройство содержит огнепреградительный элемент, выполненный на основе сеток, в том числе и многослойных. Однако этот огнепреградитель, перекрывая путь пламени, не обеспечивает полную локализацию источника тепловыделения (пожара), поскольку горючие газообразные продукты сгорания в виде суспензии могут проникать через сетчатый огнепреградительный элемент.
Известен насадочный огнепреградитель (Патент RU №2389522, кл. А62С 4/02). Устройство содержит корпус, выполненный из основания и крышки, между которыми расположен огнепреграждающий элемент кассетного типа, состоящий из параллельных решеток, на которых находится насадка из стеклянных или фарфоровых шариков, гравия, корунда или из колец Рашига, или из других гранулированных сыпучих материалов, который представляет собой полые шары или цилиндрические кольца, на боковой поверхностях которых прорезана винтовая канавка или образована винтовая линия, имеющая в сечении, перпендикулярном винтовой линии, профиль типа круга, многоугольника, седла Берля или седла «Италлокс».
Огнепреграждающая кассета выполнена из насадки таким образом, что в ней образуются узкие каналы, через которые свободно проходит горючая смесь, а пламя распространяться не может. Насадка может быть выполнена из упругих полимерных материалов, композиционных материалов и получена способами формования или спекания.
Однако сложность в изготовлении указанных каналов значительно отражается на стоимости огнепреграждающей кассеты.
Известен способ гашения пламени горючих газов и устройство для его осуществления (Патент RU 2064802, кл. А62С 4/00, опубл. 10.08.1996), принятый за прототип заявляемого способа.
Сущность данного технического решения заключается в том, что в способе и устройстве для гашения пламени горючих газов, содержащем корпус со штуцерами для входа и выхода газов и пористый металлокерамический (или металлический) элемент, охлаждение газов в зоне горения производится испарением негорючей жидкости, заполняющей объем более мелких пор пористого тела, а в корпусе устройства предусмотрена камера с негорючей жидкостью, находящейся в контакте с пористым элементом. Кроме того, в устройстве используются пористые тела, имеющие две равномерно распределенные по размерам группы пор: мелкие и крупные, при этом максимальный размер мелких пор имеет капиллярный эффект выше максимально допустимого гидравлического сопротивления пористого тела, а максимальный размер крупных пор меньше критического размера пор для данных горючих газов с учетом их дополнительного охлаждения за счет испарения негорючей жидкости.
Однако данное техническое решение предусматривает только охлаждение горючих газов в зоне горения за счет испарения негорючей жидкости, заполняющей объем более мелких пор пористого тела.
Причем, как указано в работе (pppa.ru>effects/phenomenon/effects12.php), эффект капиллярного подъема (опускания) возникает из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в капиллярном канале.
Связь между характером смачивания и капиллярным давлением оказывает большое влияние на возможность проникновения жидкостей в поры и на их вытеснение из пор, что в свою очередь играет важную роль в процессах пропитки, фильтрации, сушки и т.д.
Следует отметить, что характерной особенностью пожаров технологических установок является то, что они обычно связаны с факельным горением (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е переработанное. М.: Химия, 1979, с.127). При факельном горении развивается высокая (1500°С) температура горения и выделяется большое количество тепла.
Особо опасным видом горения является взрыв газовоздушной смеси. При выборе средств и способов пожаротушения необходимо обеспечить условия наиболее эффективной пожарной защиты (то есть обеспечение надежного тушения в наикратчайшее время) при наименьших затратах.
Отсюда очевидно, что процессы, связанные с капиллярным подъемом негорючей жидкости, дополнительным охлаждением горючих газов за счет испарения негорючей жидкости, можно сказать, «растянуты» во времени, поэтому указанные способ гашения пламени горючих газов и устройство для его осуществления не смогут создать эффективную пожарную защиту при горении быстрогорящих смесей, например газовоздушных смесей в различных системах хранения и транспортирования пожароопасных и взрывоопасных продуктов переработки и производства.
Известен огнепреградитель кассетного типа (А.И. Веселов, Л.М. Мешман. Автоматическая пожаро- и взрывозащита предприятий химической и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1975, с.101), принятый за прототип заявляемого устройства.
Устройство содержит полый корпус с входным и отводящим патрубками, между которыми размещен огнепреграждающий элемент, содержащий кассету, заполненную гранулированным телом, выполненным в виде стеклянных или фарфоровых шариков, размер которых не превышает 1 мм.
Устройство предназначено для предотвращения распространения пламени смесей водорода, ацетилена, этилена.
В диссертационной работе (Автореферат диссертации О.А Хорошилова «Методологические и нормативные основы конструирования, испытания и эксплуатации промышленных огнепреградителей» на соискание ученой степени доктора технических наук; http://www.ceninauku.ru/page_23117.htm) показано, что если после воспламенения в зону горения через огнепреградитель постоянно поступает горючая смесь, то пламя может стабилизироваться в непосредственной близости от пламегасящего элемента. Вследствие этого пламегасящий элемент будет разогреваться и может существенно изменить свои гасящие свойства. Гашение пламени возможно только в том случае, если начальная температура смеси и пламегасящего элемента ниже температуры зажигания. По мере приближения Тн к Тз эффект гашения пламени ухудшается и при Тн=Тз становится равным нулю. В этом случае сам огнепреградитель может стать инициатором горения в защищаемом объеме.
Отсюда видно, что указанное устройство нуждается в модернизации с применением новых технических решений, повышающих надежность работы существующего устройства.
Анализ современных теоретических представлений о механизме гашения пламени горючих газов показывает, что необходимы новые подходы, решающие одновременно эти задачи с минимальными материальными затратами.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности способа гашения пламени горючих газов и создания преграды с применением микрокапсулированного огнегасящего агента, препятствующих распространению пламени в канале для отвода горючих газов или газовоздушной смеси.
При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности создания эффективного способа задержки пламени и предотвращения его распространения внутрь резервуара или трубопровода далеко не исчерпаны.
В частности, в диссертационной работе (Автореферат диссертации О.А Хорошилова «Методологические и нормативные основы конструирования, испытания и эксплуатации промышленных огнепреградителей» на соискание ученой степени доктора технических наук; http://www.ceninauku.ru/page_23117.htm) указано, что проведены испытания на огнестойкость сетчатых, кассетных и насадочных огнепреградителей, применяемых в настоящее время. Эксперименты показали, что огнестойкость испытанных огнепреградителей составляет от 3-х до 30 минут, что не удовлетворяет требованиям безопасности. В связи с этим обозначена необходимость разработки усовершенствованных конструкций огнепреградителей, обладающих способностью длительной локализации пламени на технологических системах объектов нефтегазового комплекса.
Для этого в способе гашения пламени горючих газов, включающем в себя разделение потока горючих газов слоем гранулированного тела на мелкие струи, их охлаждение гранулированным телом в зоне горения, гашение пламени и заключение самого тела в огнепреграждающем элементе устройства для задержания огня и свободного прохождения горючих газов, перед слоем гранулированного тела со стороны поступления пламени горящих газов создают дополнительный слой гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента, оболочку которого термически разрушают под действием пламени горючих газов, и огнетушащее средство переводят из жидкого агрегатного состояния в газообразное, приводящее к ингибированию скорости химических реакций пламени горючих газов, при этом огнепреграждающий элемент в устройстве для задержания огня и свободного прохождения горючих газов перемещают в результате снижения массы дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента, в результате чего производят запуск управляющего органа запорно-пускового устройства и подачу мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потоку горючих газов.
В устройстве для задержания огня и свободного прохождения горючих газов, содержащем полый корпус с входным и отводящим патрубками, между которыми размещен огнепреграждающий элемент, содержащий кассету, заполненную гранулированным телом, кассета разделена на зоны, каждая из которых заполнена гранулированным телом, причем зона, заполненная дополнительным слоем гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента, выполненного виде микрокапсул с огнетушащим веществом, размещена со стороны поступления пламени горящих газов, а огнепреграждающий элемент имеет средство для перемещения при снижении массы дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента и соединено с управляющим органом запорно-пускового устройства для подачи мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потоку горючих газов, при этом в кассете между зонами, заполненными различным гранулированным телом, смонтирована фиксирующая сетка.
Технический эффект, реализуемый заявляемым способом гашения пламени горючих газов - повышение эффективности подавления пламени, обуславливается следующим.
Создание дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента перед слоем гранулированного тела со стороны поступления пламени горящих газов позволяет произвести, в первую очередь, термическое разрушение оболочки микрокапсулированного огнегасящего агента, в результате чего:
- перевести огнетушащее средство из жидкого агрегатного состояния в газообразное;
- осуществить ингибирование скорости химических реакций пламени горючих газов;
- переместить устройство для задержания огня и свободного прохождения горючих газов в результате снижения массы дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента;
- произвести запуск управляющего органа запорно-пускового устройства и подачу мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потоку горючих газов, тем самым осуществить дальнейшее охлаждение названного потока.
Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством, позволяет значительно повысить надежность работы огнепреграждающего устройства.
Это обуславливается следующим.
Разделение кассеты на зоны с помощью фиксирующей сетки позволяет заполнить каждую зону гранулированным телом, осуществляющим различные способы гашения пламени горючих газов.
Размещение в кассете со стороны поступления пламени горящих газов зоны, заполненной дополнительным слоем гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента, выполненного в виде микрокапсул с огнетушащим веществом, позволяет осуществить сначала ингибирование скорости химических реакций пламени горючих газов, а затем - охлаждение потока горючих газов.
Перемещение средства для перемещения при снижении массы дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента позволяет осуществить за счет снижения массы дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента в сторону управляющего органа запорно-пускового устройства. Это позволяет незамедлительно произвести подачу мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потоку горючих газов после ингибирования скорости химических реакций пламени горючих газов.
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, связанными с задержкой пламени и предотвращения его распространения внутрь резервуара или трубопровода.
Известно противопожарное устройство (патент РФ №2005518, кл. А62С 3/04, опубл. 15.01.1994), содержащее извещатель пожара, запорный орган, размещенные последовательно в пневмопроводе, средство пожаротушения и электрически связанный с ними блок управления, а устройство дополнительно содержит патрубок и бункер, причем патрубок входным сечением сопряжен с пневмопроводом и соединен с ним в зоне установки запорного органа, выполненного в виде гибкой диафрагмы, выходным сечением патрубок соединен с входом бункера, в котором размещено средство пожаротушения.
Устройство содержит пневмопровод, извещатель пожарный, включающий в себя приемник инфракрасного излучения горящих или тлеющих материалов, запорный орган, расположенный после извещателя (по ходу движения транспортируемых материалов), выполненный в виде гибкой диафрагмы, размещенной внутри пневмопровода, один край которой установлен с возможностью перемещения в плоскости сечения пневмопровода и связан с электромеханическим приводом, а другой край закреплен по линии пересечения образующих цилиндров пневмопровода и патрубка, патрубок, сопряженный входным сечением с пневмопроводом и соединенный в месте установки запорного органа, а выходным сечением с бункером, бункер, выполненный в виде металлического (негорючего) корпуса с люком для выемки попавших в него материалов и снабженный пожаротушащим средством (например, водяным оросителем). На выходе бункера может быть установлен улавливатель твердых частиц, остатков продуктов загорания - циклон, связанный с атмосферой. Извещатель, электромеханический привод незакрепленного края диафрагмы запорного органа и средство пожаротушения электрически связаны с блоком управления.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении, при отсутствии загораний, извещатель находится в дежурном состоянии, а диафрагма запорного органа перекрывает входное сечение патрубка, транспортируемый материал, например хлопок-сырец, движется по трубопроводу. В случае наличия в пневмотранспортной системе горящего материала или очага возгорания, его перемещение по контролируемому участку пневмопровода вызывает срабатывание извещателя пожара, по сигналу которого блок управления включает привод запорного органа, который перемещает незакрепленный край диафрагмы к противоположной стенке трубопровода, при этом диафрагма перекрывает сечение пневмопровода (положение диафрагмы обозначено пунктиром) и движущийся поток с загоревшимся хлопком-сырцом попадает в патрубок и через него в бункер. Одновременно с включением запорного органа блок управления включает средство пожаротушения, которое подает воду навстречу поступающему в бункер загоревшемуся хлопку. После обнаружения загоревшегося хлопка извещателем поступление сигнала срабатывания от извещателя прекращается. При этом блок управления вырабатывает сигнал на переключение диафрагмы запорного органа в исходное положение - патрубок перекрыт.
Подача сигнала переключения диафрагмы может осуществляться с задержкой по времени.
Однако способ тушения пожара, заложенный в указанном устройстве, хотя и содержит подачу мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потоку горящего транспортируемого материала (например, хлопка), не предполагает других мер по активному воздействию на взрывоопасную среду.
Известен пламеотсекатель - гидрозатвор с поворотной заслонкой (А.И. Веселов, Л.М. Мешман. Автоматическая пожаро- и взрывозащита предприятий химической и нефтехимической промышленности. М.: «Химия», 1975, с.97). Пламеотсекатель состоит из корпуса и заслонки, которая при повороте на 90° перекрывает транспортный желоб. В нормальном положении заслонка удерживается с помощью гидравлического замка. При подаче жидкости замок раскрывается, и заслонка под действием реактивной силы струи огнетушащей жидкости, вытекающей через распылитель, поворачивается до упора.
Однако работа этого устройства основана на другом принципе перемещения огнепреграждающего элемента.
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 критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.
На фиг.1 представлен общий вид устройства (в разрезе), реализующего заявляемый способ, до возникновения воспламенения потока горючих газов в газоотводящем канале, на фиг.2 - то же в момент ингибирования скорости химических реакций пламени горючих газов и последующего запуска управляющим органом запорно-пускового устройства для подачи мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потока горючих газов (после перемещения огнепреграждающего элемента при снижении массы дополнительного слоя гранулированного тела из микрокапсулированного огнегасящего агента).
Устройство состоит из полого корпуса 1 с входным 2 и отводящим 3 патрубками, между которыми размещен огнепреграждающий элемент, содержащий кассету 4, разделенную на зоны 5, 6, каждая из которых заполнена соответствующим гранулированным телом 7, 8. Причем зона 5 размещена со стороны поступления пламени горящих газов из входного патрубка 2 и заполнена дополнительным слоем гранулированного тела 7 из микрокапсулированного огнегасящего агента, выполненного в виде микрокапсул с огнетушащим веществом. Зона 6 заполнена гранулированным телом 8, например, стеклянными шариками.
Огнепреграждающий элемент имеет средство для перемещения кассеты 4 при снижении массы дополнительного слоя гранулированного тела 7 из микрокапсулированного огнегасящего агента. Причем кассета 4 имеет возможность свободного перемещения в окне 9 при различной массе гранулированного тела 7.
Для этого на корпусе 1 смонтирован стакан 10 с пружиной 11, которая упирается снизу в кассету 4.
В дежурном режиме под действием массы кассеты 4, заполненной гранулированным телом 7 и 8, пружина 11 полностью сжата.
Вверху на кассете 4 установлен шток 12, имеющий возможность свободного прохода в отверстии крышки 13, смонтированной на фланце 14 корпуса 1 и перекрывающей окно 9.
1
На крышке 13 установлен кронштейн 15, на котором установлен концевой пускатель 16 управляющего органа. Шток 17 концевого пускателя 16 расположен в дежурном режиме таким образом, что между последним и штоком 12 выполнен зазор h.
Концевой пускатель 16 управляющего органа соединен электрической связью 18 с запорно-пусковым устройством 19, смонтированным на питающем трубопроводе 20. С другой стороны запорно-пускового устройства 19 проложен сухотруб 21, который смонтирован в газоотводящем канале 22 для подачи мелкораспыленного огнегасящего агента навстречу потоку горючих газов из распылителя 23, установленного на конце сухотруба 21.
Для наполнения кассеты 4 и одновременного разделения гранулированных тел 7 и 8 смонтированы: снаружи кассеты соответствующие сетки 24 и 25 и для зон 5 и 6 - фиксирующая разделительная сетка 26.
Устройство работает следующим образом.
При возникновении пламени горючих газов в газоотводящем канале 22 и поступлении его в полый корпус 1 происходит быстрое термическое разрушение оболочки микрокапсулированного огнегасящего агента, в результате чего огнетушащее средство переходит из жидкого агрегатного состояния в газообразное, что приводит к ингибированию скорости химических реакций пламени горючих газов перед кассетой 4 огнепреграждающего элемента. Причем в зоне 5, размещенной в кассете 4 со стороны поступления пламени горящих газов из входного патрубка 2, резко снижается масса дополнительного слоя гранулированного тела 7, состоящего из микрокапсулированного огнегасящего агента.
При снижении массы указанного гранулированного тела 7 кассета 4 перемещается в окне 9 под действием пружины 11, при этом шток 12 кассеты 4 взаимодействует со штоком 17 концевого пускателя 16, в результате чего сигнал на запуск управляющего органа поступает по электрической связи 18 к запорно-пусковому устройству 19, смонтированному на питающем трубопроводе 20.
В результате названного взаимодействия запорно-пусковое устройство 19 открывается и происходит подача мелкораспыленного огнегасящего агента 27 из распылителя 23 навстречу потоку горючих газов в газоотводящем канале 22, после чего происходит их охлаждение в зоне горения и гашение пламени горючих газов.
Одновременно гранулированное тело 8, размещенное в кассете 4 между 25 и 26, производит в случае аномального развития пожара разделение потока горючих газов слоем отмеченного ранее гранулированного тела на мелкие струи, их охлаждение гранулированным телом в зоне горения, гашение пламени (фиг.2).
Предлагаемое техническое решение позволяет применить новую модель гашения пламени в огнепреградителях в условиях подвижной горючей смеси и разработать новую конструкцию устройства для задержания огня и свободного прохождения горючих газов при разогреве пламегасящего элемента в условиях движущейся горючей смеси.