Способ пожаротушения и устройство для его осуществления

 

Использование: в области противопожарной техники. Сущность изобретения: осуществляют аккумулирование воды и нейтрального газа в емкостях высокого давления в количестве 0,5...0,7 л на 1 кв.м защищаемой площади или 0,2...0,3 л на 1 куб.м защищаемого объема, при этом выдерживают количество аккумулируемого нейтрального газа в 9-11 раз меньше, чем количество воды, дробление жидкости газом осуществляют в камере диспергирования, после чего полученный аэрозоль гомогенизируют на перфорированной (пористой) поверхности до размера капель 20. ..50 мкм, при этом перепад давления газа перед камерой диспергирования выдерживают сверхкритическим, а давление жидкости - превышающее давление газа на 0,1...0,4 МПа. Аэрозоль выпускают из камеры диспергирования через сопловые выходные отверстия в виде свободных струй, которыми тушат пожар. Устройство для осуществления способа содержит емкости высокого давления нейтрального газа и воды, трубопроводы, подсоединенные к быстродействующим клапанам, цилиндрическую камеру диспергирования с входными сопловыми отверстиями, выполненными непосредственно на ее поверхности под углами 45-90^o к оси камеры диспергирования, перфорированный (пористый) стакан, установленный внутри камеры диспергирования с радиальным зазором, проходные отверстия в перфорированном стакане выполнены суммарной площадью, превышающей площадь выходных сопловых отверстий на 30...50%. Входные отверстия камеры диспергирования могут быть оснащены жиклерами, суммарная площадь которых составляет 0,2...0,6 суммарной площади сопловых выходных отверстий. Устройство может быть также оснащено тепловыми датчиками и прибором управления, подключенным к быстродействующим клапанам подачи газа, а клапан подачи воды соединен с клапаном подачи газа пневматически. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области противопожарной техники и предназначено для тушения пожаров автоматическими стационарными или передвижными установками с использованием распыленной нейтральным газом воды в учреждениях культуры, в библиотеках, выставочных залах, в помещениях вычислительной техники, на судах, складах и других объектах, в которых находятся люди и ценные изделия.

Известен способ пожаротушения в герметических отсеках путем подачи в него газообразного азота в виде струй и воды, которую вводят в азотную струю, причем на 1 куб.м защищаемого объема подают 20.200 л за мин газообразного азота и 0,3.0,6 л за мин мелко распыленной воды /1/. Недостаток способа - неравномерность орошения (особенно под распылителем) образованными каплями из-за конечного времени дробления и передачи импульса от газа к жидкости. Это ведет к неоправданному увеличению времени тушения до 40.60 с и, следовательно, к существенному ущербу предметов как от воды, так и от пожара.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ тушения пожара и устройство для его осуществления с помощью автоматических передвижных или стационарных установок на основе воды и нейтрального газа, воду и газ аккумулируют в емкостях высокого давления P≥3 МПа и оба вещества после открытия быстродействующих клапанов подают в камеру диспергирования воды, где образуют аэрозоль с диаметром капель ≅2 мкм, которым затем в виде свободных скоростных струй 20-40 м/с тушат пожар за время t≅20 с путем отбора тепла /2/. При этом аккумулируют 1.2 кг воды на 1 кв. м защищаемой площади, а газ относительно воды в соотношении по весу r 1. 2(несущий газ/вода).

Устройство, осуществляющее названный способ, содержит емкости высокого давления, которые трубопроводами подсоединены к быстродействующим клапанам и затем к цилиндрической камере диспергирования, снабженной входными соплами, быстродействующие клапаны, кроме того, электрически соединены с прибором управления, снабженным тепловыми или дымовыми датчиками (извещателями).

Недостаток известного способа пожаротушения и устройства для его осуществления заключается в большом количестве воды, поступающей на поверхности предметов, людей, пол и стены помещения. Толщина слоя воды на поверхностях предметов достигает 1.2 мм, что приводит к значительному ущербу от воды для смачиваемых и водонестойких материалов. Количество воды, которое необходимо подать за время t≅20 с столь велико из-за малой доли мелких капель (d≅2 мкм), достигающих зону горения. Этот эффект объясняется отдувом мелких капель воды (размером d≅20 мкм) конвективными восходящими токами от пламени. Весовое соотношение между газом и водой 1.2 не обеспечивает нейтрализацию этих потоков, так как почти вся кинетическая энергия газа с учетом диссипативных потерь при дроблении переходит в потенциальную энергию поверхностного натяжения образованных очень мелких капель (d≅2 мкм). При этом оставшаяся механическая энергия не позволяет равномерно распределить капли по защищаемому объекту (поверхности), и они скапливаются непосредственно под соплами устройства. Заявленный в известном способе высший предел скорости 40 м/с достигнут быть не может при дроблении капель до диаметра 2 мкм названным количеством газа. Практически может быть достигнута скорость в несколько метров в секунду ( не более 10 м/с).

Цель изобретения уменьшение ущерба от воздействия воды на предметы и людей путем уменьшения потребного для тушения количества воды на 1 куб.м объема или на 1 кв. м площади при равномерном распределении аэрозоля на поверхности или в объеме. Эта цель достигается тем, что воду аккумулируют в емкости высокого давления в количестве 0,5.0,7 л на 1 кв.м защищаемой площади или 0,2.0,3 л на 1 куб.м защищаемого объема (при высоте потолков около 3 м), при этом количество газа по весу аккумулируют в 9.11 раз меньше, а полученный аэрозоль гомогенизируют на перфорированной или пористой поверхности до размера капель d 20.50 мкм. Такие капли почти не отдуваются конвективными токами от пламени и наиболее плотно вовлекаются в процесс отвода тепла за счет их испарения. Для получения большой доли капель в указанном диапазоне размеров нейтральный газ в камеру диспергирования подают под сверхкритическим перепадом давления и, следовательно, со звуковой или сверхзвуковой скоростью, что ведет к наибольшему воздействию на струю жидкости, поступающей в объем камеры диспергирования. При этом выдерживают давление воды на входе в камеру диспергирования большим, чем входное давление газа на 0,1.0,4 МПа, что обеспечивает бесперебойную и равномерную подачу воды в камеру диспергирования и в защищаемый объем. Увеличение давления подачи сверх 0,4 МПа относительно давления газа ведет к неоправданному повышению давления в емкости, а при уменьшении ниже 0,1 МПа могут возникнуть колебания расхода воды.

Устройство для осуществления способа пожаротушения содержит емкости высокого давления (P≥З МПа) для хранения нейтрального газа и воды, которые трубопроводами присоединены к быстродействующим клапанам, а затем к цилиндрической камере диспергирования, снабженной выходными соплами, причем быстродействующие клапаны электрически соединены с прибором управления и с тепловыми или дымовыми датчиками (извещателями); внутрь цилиндрической камеры диспергирования дополнительно установлен перфорированный или пористый стакан с радиальным зазором относительно поверхности камеры смешения перед сопловыми отверстиями. Этот перфорированный (пористый) стакан выполнен с проходными отверстиями суммарной площадью большей, чем суммарная площадь выходных сопловых отверстий на 30.50% что обеспечивает дополнительное дробление крупных капель и фрагментов воды на отверстиях в стакане, а также коагуляцию очень мелких капель в градиентном потоке перед и за отверстием в стакане. Если проходные отверстия в перфорированном (пористом) стакане выполнены меньшими или равными по суммарной площади относительно суммарной площади выходных сопловых отверстий, то возникают паразитные потери механической энергии аэрозоля, а капли при этом могут соединиться в струи или пленки, что приводит в свою очередь к укрупнению частиц воды в истекающих струях. При увеличении площади более, чем на 40% эффективность гомогенизации уменьшается за счет уменьшения скорости аэрозоля в отверстиях, и отклонения в размерах капель вновь увеличиваются. Выходные сопловые отверстия выполнены непосредственно на боковой поверхности цилиндрической камеры диспергирования, что уменьшает путь гомогенизированного аэрозоля и исключает коагуляцию пленкообразования в каналах перед отверстиями, кроме того, названные отверстия выполнены под углом к оси цилиндрической камеры диспергирования в диапазоне углов 45.90^o, этим обеспечивают равномерность орошения. При выполнении отверстий под углом меньшим 45^o центральная область под камерой диспергирования оказывается с наибольшей концентрацией капель, а при угле, большем 90^o большая доля капель осаждается на потолок помещения. Для получения опережения подачи газа по сравнению с поступлением воды в камеру диспергирования (около 0,001 с) только быстродействующий клапан газовой магистрали подключен электрически к прибору управления, а клапан на магистрали воды соединен с клапаном газовой магистрали пневматически и срабатывает от давления газа в емкости высокого давления. Это дополнительно обеспечивает как равномерность распределения капель по объему, так и равнозначность их размеров по времени, что важно при малом времени тушения t≅20 с. В противном случае за счет большей скорости волны давления в воде, чем в газе, вода попадает в камеру диспергирования в начальный момент без присутствия газового потока, возникает первичный выброс нераспыленной воды. Дополнительно это позволяет уменьшить в 2 раза количество подводящих электрических кабелей и силу тока в приборе управления.

На чертеже представлена конструктивная схема устройства, осуществляющего способ пожаротушения. Устройство включает шкаф 1 с установленными в него баллоном 2 газа высокого давления (P≥3 МПа) и баллоном 3 воды с газовой подушкой (P 3.5 МПа), быстродействующие запорно-пусковые клапаны 4, трубопроводы 5 и 9 со штуцерами, закрепленными на крышке шкафа 1, камеру диспергирования 6 с сопловыми выходными отверстиями 7, установленными внутрь камеры с радиальным зазором (2.3 мм), перфорированный стакан 8, на входе в камеру диспергирования установлен жиклер 10 критического перепада для прохода газа и жиклер 11 для прохода воды, трубку 12, соединенную с трубопроводом газа 5 и управляющей камерой быстродействующего клапана воды 4, сигнализатор давления 13 на трубопроводе воды 15. Сопловые отверстия 7 выполнены непосредственно на боковой поверхности камеры диспергирования 6 в три ряда: два ряда по 10 отверстий с шахматным расположением на цилиндрической поверхности под углом 90^o к оси камеры 6 и один ряд (10 отверстий) на конической фаске у торца камеры 6 под углом 45^o к оси камеры 6. Суммарная площадь отверстий для прохода аэрозоля перфорированного стакана 8 больше суммарной площади сопловых выходных отверстий 7 на 40% при диаметре сопловых выходных отверстий, равном 2 мм (30 отверстий) и диаметре отверстий в перфорированном стакане 8, равном 1,5 мм (75 отверстий и 5 рядов). Для контроля давления на баллонах 2 и 3 установлены манометры.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При появлении дыма в помещении или при повышении температуры выше, например, 50^oС, датчики 15 подают сигнал на прибор управления 14, с которого подается управляющий сигнал на пиропатрон (управляющую катушку) быстродействующего запорно-пускового клапана 4 на трубопроводе нейтрального газа 5. Газ по трубопроводу 5 поступает в камеру диспергирования 6 через жиклер 10 и одновременно на управляющую камеру запорно-пускового клапана 4 на трубопроводе воды 9. Вода с небольшим запаздыванием 0,001.0,01 с также поступает в камеру диспергирования 6 через жиклер 11. Так как на жиклере 10 поддерживают сверхкритический перепад путем соответствующего выбора диаметров жиклеров 10 и 11 так, что их суммарная площадь составляет 0,2.0,6 от суммарной площади выходных сопловых отверстий 7, то газ из отверстия жиклера 10 выходит со скоростью равной или звуковой (около 340 м/с) и сталкивается со струей воды под углом 90^o, выходящей из отверстия жиклера 11.

Соотношение расходов газа и воды 1/9.1/11 обеспечивает отсутствие льда в камере диспергирования при температуре воды > 2^oC. Давление в баллоне воды 3 поддерживают также высоким P > 3 МПа. Конкретные величины давлений выбираются из условия сверхкритического перепада газа на жиклере 10 и превышающем его на 0,1.0,4 МПа на жиклере жидкости 11, а также от величины гидравлических потерь. Образованная внутри камеры диспергирования 6 смесь нейтрального газа и воды поступает под перепадом давления на отверстия перфорированного стакана 8, где дополнительно дробятся крупные капли или фрагменты воды, таким образом смесь гомогенизируют, другими словами, делают ее более однородной по размерам капель. Полученный аэрозоль попадает в кольцевой зазор между внутренней поверхностью камеры диспергирования 6 и наружной поверхностью перфорированного стакана 8, где завершаются процессы дробления и передачи импульса каплям от газа в зоне повышенного давления, что эффективнее, чем при атмосферном давлении. Затем аэрозоль в виде сводных струй истекает в защищаемый объем, где тушат очаг возгорания. О работе устройства судят по сигнализатору давления воды 13, сигнал от которого поступает на пульт прибора управления 14. Предусмотрена возможность ручного запуска устройства путем механического воздействия на запорно-пусковой быстросрабатывающий клапан 4 на трубопроводе нейтрального газа 5.

Результаты испытаний способа пожаротушения и устройства для его осуществления приведены в таблице.

Испытания проводились в изолированном помещении, очаги возгорания располагались на расстояниях l 0,5; 1; 1,5; 2; 2,7 м и на высоте от камеры диспергирования h 0,1; 0,5; 1,5; 2; 3 м. Размер частиц определялся фотоэлектрическим спектрометром частиц.

Проведенные испытания показали высокую эффективность способа пожаротушения и работоспособность устройства для его осуществления. Слой воды на горизонтальных поверхностях предметов после тушения по предложенному способу в 2-3 раза меньше, чем при других способах. Среднее квадратичное отклонение в интенсивности орошения не превосходило 20% в пределах защищаемой площади 23 кв.м.

Формула изобретения

1. Способ пожаротушения с помощью автоматических передвижных или стационарных установок на базе воды и несущего нейтрального газа, при этом воду и нейтральный газ аккумулируют в сосудах высокого давления P ≥ 3 МПа и оба вещества после открытия быстродействующих клапанов подают в камеру диспергирования жидкости газом, где образуют аэрозоль, которым затем в виде свободных высокоскоростных струй тушат пожар за время t ≥ 20 с путем отбора тепла, отличающийся тем, что воду аккумулируют в емкости в количестве 0,5 0,7 л на 1 м² защищаемой площади или 0,2 0,3 л на 1 м³ защищаемого объема, при этом выдерживают массовое соотношение нейтрального газа и воды в диапазоне 1:9 11, а после дробления газов в камере диспергирования полученный аэрозоль перед истечением его в виде свободных высокоскоростных струй гомогенизируют на перфорированной или пористой поверхности до размера (диаметра) капель 20 50 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нейтральный газ подают в камеру диспергирования под сверхкритическим перепадом давления, а воду под давлением, превышающим давление подачи газа на 0,1 0,4 МПа.

3. Устройство пожаротушения, содержащее емкости высокого давления для аккумулирования нейтрального газа и воды, при этом емкости подсоединены трубопроводами к быстродействующим клапанам, а затем трубопроводами к цилиндрической камере диспергирования, снабженной выходными сопловыми отверстиями, причем быстродействующие клапаны электрически соединены с прибором управления, последний, в свою очередь, соединен с дымовым или тепловым датчиками, отличающееся тем, что внутри камеры диспергирования перед выходными сопловыми отверстиями установлен с радиальным зазором перфорированный или пористый стакан, причем выходные отверстия в нем выполнены с суммарной площадью, превышающей суммарную площадь выходных сопловых отверстий, но не более чем на 30 50% 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что сопловые отверстия выполнены непосредственно на боковой поверхности цилиндрической камеры диспергирования под углом 45 90^o относительно оси камеры диспергирования в виде нескольких поясов с послойным шахматным расположением отверстий.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что во входные каналы для подвода нейтрального газа и воды камеры диспергирования установлены жиклеры, суммарная площадь отверстий которых составляет 0,2 0,6 суммарной площади сопловых выходных отверстий.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что к прибору управления электрически подключен быстродействующий клапан для подачи газа, а клапан для подачи воды соединен с последним пневматически с помощью трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2