Способ тушения горения жидкостей в резервуарах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области пожаротушащей техники и может быть использовано для тушения пожаров горючих жидкостей в резервуарах различных типов. Способ заключается в одновременной подаче инертного газа в горючую жидкость и пенообразующего раствора в жидкость над зоной образования пузырьков барботирующего инертного газа. При этом инертный газ перед подачей в жидкость охлаждают до температуры, меньшей точки замерзания пенообразующего раствора. Устройство для реализации способа содержит емкость с пенообразующим раствором, соединенную трубопроводом с форсункой, источник инертного газа, соединенный трубопроводом с барботером, установленным в жидкости, извещатель воспламенения и запорные клапаны. При этом форсунка установлена в жидкости над барботером в непосредственной близости к нему, а емкость с пенообразующим раствором может быть установлена в резервуаре с жидкостью. Кроме того, в трубопроводе, соединяющем источник газа с барботером, установлена вихревая труба, сопловой вход которой соединен с источником газа, а трубопровод холодного потока - с барботером. Технический результат заключается в том, что организация нового режима и условий генерирования пены, подаваемой на поверхность горящей жидкости, обеспечивает повышение стойкости пены, уменьшение расхода пенообразующего раствора и инертного газа и повышение эффективности тушения горения жидкостей в резервуарах. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике пожаротушения и может использоваться для тушения пожаров горючих жидкостей в резервуарах.

Известен способ тушения горения горючих жидкостей в резервуарах путем перемешивания жидкости струями сжатого воздуха или инертного газа (Н.Ф. Бубырь, А. Ф. Иванов и др. Установки автоматической пожарной защиты. - М.: Стройиздат, 1979, с. 150-154). Однако, указанный способ применим для тушения пожаров сравнительно узкой номенклатуры горючих жидкостей, температура вспышки которых не менее, чем на 5^oC выше температуры воздуха, при которой производится тушение и не ниже 40^oC (Н.Ф. Бубырь, А.Ф. Иванов и др. Установки автоматической пожарной защиты. - М.: Стройиздат, 1979, с. 150).

Известны способы тушения пламени горючей жидкости в резервуаре, использующие изолирующие свойства пены (см. например, а. с. СССР N 860780 МПК A 62 C 35/54; стр. 184-185 в кн. Н.Ф. Федоров, Ф.Ф. Переслыцких Автоматические пожарные установки. - К. : Техника, 1976, с. 184-185; Н.Ф. Бубырь, А.Ф. Иванов и др. Установки автоматической пожарной защиты. - М.: Стройиздат, 1979, с. 96). Однако их применение экономически нецелесообразно для тушения пламени в крупных резервуарах (М. В. Казаков, И. И. Петров, В.Ч. Реутт Средства и способы тушения пламени горючих жидкостей. - М.: Стройиздат, 1977, с. 89). Кроме того, они обладают невысокой эффективностью из-за низкой стойкости пены, обусловленной самопроизвольным стеканием жидкости в межпузырьковых пленках, приводящим к их разрыву, и воздействием на пену горящей жидкости, под влиянием которой стенки пузырьков пены разрушаются (там же, с. 90).

Известно устройство для генерирования пены, в котором пена образуется путем вспенивания набегающим воздухом пенообразователя, подаваемого через распылитель в сетку, установленную перпендикулярно набегающему потоку воздуха (М. В. Казаков, И.И.Петров, В.Ч.Реутт Средства и способы тушения пламени горючих жидкостей. - М.: Стройиздат, 1977, с. 98). Недостатком данного устройства является неоднородность структуры пены и повышенная кратность, отрицательно сказывающиеся на ее стойкости, а также существенная зависимость процесса пенообразования от скорости воздушного потока.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа, выбранным в качестве прототипа, является способ тушения горения жидкости в резервуарах по а.с. СССР 1337107, МПК A 62 C 3/12 БИ N 34, 1987, включающий подачу инертного газа через слой жидкости с одновременной подачей на ее зеркало распыленного пенообразующего состава. Общими существенными признаками известного и заявляемого способов являются подача в горящую жидкость инертного газа и пенообразующего раствора. При реализации способа-прототипа генерирование изолирующего пенного слоя осуществляется на поверхности горящей жидкости в условиях интенсивного испарения пенообразующего раствора. Это приводит к снижению интенсивности генерирования пены, понижению ее стойкости и повышению потерь пенообразующего раствора, что снижает эффективность процесса тушения горения жидкости в резервуаре.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства, выбранным в качестве прототипа, является устройство для подачи пены через слой горючей жидкости на ее горящую поверхность, содержащее емкость с пенообразующим раствором и форсункой для его подачи, источник инертного газа, барботер, выполненный в виде пенного ствола и полиэтиленового рукава, запорные клапаны и извещатель воспламенения, предназначенные для подачи сигнала о возгорании горючей жидкости в резервуаре (см. рис. 12.15 на с. 241 в кн. Я.С.Повзик, П.П.Клюсс, А. М. Матвейкин Пожарная тактика. - М.: Стройиздат, 1990). Общими существенными признаками известного и заявляемого устройств являются: емкость с пенообразующим раствором и форсункой для его подачи, источник инертного газа, барботер, запорные клапаны и извещатель воспламенения, функционально соединенный с запорными клапанами. При работе устройства-прототипа генерирование пены осуществляется вне резервуара с горючей жидкостью с последующей ее подачей по специальному воздушно-пенному стволу в резервуар. При этом происходит смятие и разрушение пены при ее движении по стволу и полиэтиленовому рукаву (понижается стойкость пены), что увеличивает потери пенообразующего раствора, и снижает его пожаротушащую эффективность. Указанное обстоятельство еще более усугубляется невозможностью использования данного устройства при горении в обваловывании и ограниченными возможностями выбора позиции для подачи пены в зависимости от направления ветра. Кроме того, отсек, образующийся при разрушении пены на поверхности горящей жидкости, беспрепятственно опускается в нижнюю часть резервуара и в дальнейшем не участвует в процессе тушения горения, что приводит к существенному увеличению расхода пенообразующего раствора на тушение пожара.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа тушения горения жидкостей в резервуарах, при котором путем организации нового режима генерирования пены, подаваемой на поверхность горящей жидкости, обеспечивается сокращение потерь пенообразующего раствора, повышение устойчивости пены и за счет этого повышается эффективность тушения пожара.

В основу изобретения поставлена также задача усовершенствования устройства для тушения горения жидкостей в резервуарах, при котором путем введения новых конструктивных элементов и связей между ними будет обеспечено уменьшение потерь пенообразующего раствора и повышение стойкости пены путем повышения эффективности использования инертного газа, участвующего в генерировании пены, для интенсификации перемешивания жидкости всплывающими пузырями и осуществления регенерирования пены из тонущего отсека, образующегося при разрушении пены на поверхности горящей жидкости, и за счет этого повышение эффективности тушения пожара и уменьшение расхода пенообразующего раствора.

Поставленная задача решается тем, что в способе тушения горения жидкостей в резервуарах, включающем одновременную подачу инертного газа в жидкость и пенообразующего раствора в резервуар с жидкостью, согласно изобретению подачу пенообразующего раствора осуществляют в горючую жидкость над зоной образования пузырьков барботирующего инертного газа.

Кроме того, перед подачей в резервуар с жидкостью газ охлаждают до температуры, меньшей точки замерзания пенообразующего раствора.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для тушения горения жидкости в резервуаре, содержащем емкость с пенообразующим раствором, соединенную с Форсункой через трубопровод с запорным клапаном, источник инертного газа, соединенный с барботером трубопроводом с запорным клапаном и датчик воспламенения, функционально связанный (соединенный) с запорными клапанами, согласно изобретению форсунка для подачи пенообразующего раствора установлена над барботером в непосредственной близости к нему.

Кроме того, барботер выполнен в виде емкости с равномерно расположенными относительно поперечного сечения резервуара отверстиями, диаметр которых выбирают из соотношения (1) где σ_ж - коэффициент поверхностного натяжения горючей жидкости; ρ_ж - плотность горючей жидкости; ρ_г - плотность инертного газа; H - высота столба жидкости над барботером; P_a - атмосферное давление; g - ускорение земного тяготения, а расстояние между отверстиями из соотношения (2)
Кроме этого, на выходе из отверстий барботера установлены прорывные мембраны, или обратные клапаны.

Кроме этого, емкость с пенообразующим раствором может быть установлена непосредственно в горючей жидкости.

Кроме этого, в трубопроводе, соединяющем источник инертного газа с барботером, установлена вихревая труба, сопловой вход которой соединен с источником газа, а трубопровод холодного потока с барботером.

Наличие в предлагаемом устройстве барботера с конструктивными параметрами (диаметр отверстий и расстояние между ними), соответствующими соотношениями (1) и (2), а также размещение форсунок для подачи пенообразующего раствора над барботером в непосредственной близости от него в совокупности с остальными существенными признаками устройства позволяет осуществить генерирование пены в жидкости всплывающими пузырями инертного газа и регенерирование ее из тонущего отсека, образующегося при разрушении пены на горящей поверхности жидкости в резервуаре, обеспечивая, таким образом, реализацию предлагаемого способа. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел и, следовательно, требование единства изобретения соблюдается.

Предлагаемый способ отличается от прототипа, во-первых, тем, что пенообразующий раствор подают в жидкость над зоной образования пузырей барботирующего инертного газа и, во-вторых, тем, что инертный газ перед подачей в горючую жидкость охлаждают. Первый отличительный признак является достаточным во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объект правовой охраны. Второй признак характеризует изобретение лишь в частных случаях.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе тушения горения жидкостей в резервуаре пенообразующий раствор подают в горячую жидкость над зоной образования пузырьков барботирующего инертного газа. Это позволяет осуществить генерирование пены в толще горючей жидкости, т.к. образование пузырей происходит непосредственно в пенообразующем растворе, и они сразу же окружаются двойным адсорбционным слоем (М.В. Казаков и др. Средства и способы тушения.. . - с. 44-43). Поверхность пузыря бронируется пенообразователем, возрастает ее сопротивление диффузионным процессам, что обуславливает также существенное уменьшение парциального давления пара горючей жидкости в пузыре и, как следствие, количества пара, выносимого пузырями в зону горения, а кроме того, приводит к повышению, по сравнению с прототипом, стойкости пены, т.к. наличие насыщенных паров углеводородных жидкостей в пузыре, образующем при выходе на поверхность жидкости ячейку пены, существенно (более чем в 2 раза) снижает ее устойчивость (М. В.Казаков, И.И. Петров, В.Ч. Реутт Средства и способы тушения пламени..., с. 66). Пузырь, выходящий из пенообразующего раствора в горячую жидкость и далее всплывающий в ней, уносит с собой к поверхности оптимальное количество более тяжелого пенообразующего раствора (~ 5-8% от объема пузырька, см. Я.Е. Гегузин Пузыри. - М.: Наука, 1985, с. 110), тем самым минимизируя расход пенообразующего раствора на генерирование пенного слоя. При этом, в отличие от прототипа, инертный газ перед подачей в резервуар с горючей жидкостью охлаждают до температуры меньшей точки замерзания пенообразующего раствора, вследствие чего также повышается стойкость пены (Я.Б. Гегузин Пузыри. - М.: Наука, 1985, с. 47-50). Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа в совокупности с другими существенными признаками обеспечивают повышение стойкости пены и, следовательно, снижение потерь пенообразующего раствора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство имеет следующие отличительные признаки: 1) форсунка для подачи пенообразующего раствора установлена в горючей жидкости над барботером в непосредственной близости к нему; 2) барботер выполнен в виде емкости с равномерно расположенными относительно поперечного сечения резервуара отверстиями, диаметр и расстояние между осями которых выбирают из соотношений (1) и (2); 3) в отверстиях барботера установлены прорывные мембраны или обратные клапаны; 4) емкость с пенообразующим раствором установлена в резервуаре с жидкостью; 5) между источником газа и барботером установлена вихревая труба, сопловой вход в которую соединен с источником газа, а трубопровод холодного потока с барботером. Первый отличительный признак является достаточным во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны. Остальные признаки характеризуют изобретение в конкретной форме его выполнения. Установка форсунки для подачи пенообразующего раствора над бартером в непосредственной близости к нему позволяет генерировать пену непосредственно в жидкости, обеспечивая минимизацию расхода пенообразующего раствора и возможность регенерации пены из тонущего отсека. Выполнение барботера в виде емкости с равномерно расположенными относительно поперечного сечения резервуара отверстиями, диаметр которых выбирают из соотношения:

а расстояние между осями отверстий

обеспечивает уменьшение времени тушения, вследствие максимальной интенсификации перемешивания всплывающими пузырями инертного газа неравномерно нагретой жидкости. Действительно, перемешивание жидкости при барботировании ее пузырями обусловлено тем, что последние, всплывая в жидкости, перемещают вместе с собой из нижних холодных слоев в верхние прогретые так называемые присоединенные массы жидкости, обеспечивая тем самым массо- и теплообмен. Особое значение в формировании гидродинамической обстановки в барботажном слое имеет конструкция барботера. Для повышения эффективности барботирования целесообразно увеличить присоединенную к каждому отдельному пузырю массу жидкости. Для этого пузырь должен быть максимально сплющен в направлении всплытия (Н. Е. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе Теоретическая гидромеханика. Часть I, изд. Физ. -мат. лит., М.: 1963). Условие максимальной деформации пузыря имеет вид (И. В. Белов, Е.В. Проколов. Скорость движения и формы воздушных пузырей в воде // ПМТФ N 3, 1968).

где m_* = d_ф/h_п;
d_ф - фронтальный диаметр пузыря;
h_п - высота пузыря;
d_отр - отрывной диаметр пузыря;
σ_ж - коэффициент поверхностного натяжения.

Для максимально деформированного пузыря
m_* ≥ 4,
поэтому условие (3) принимает вид:

или

Такой выбор позволяет в 4-5 раз увеличить коэффициент присоединенной массы.

При пузырьковом режиме истечения газа из сопла барботера в жидкость (Т. Хоблер. Массопередача и абсорбция. М.-Л.: Химия, 1964).

Из (4) и (5) диаметр отверстия

Необходимо, однако, иметь в виду, что деформированный пузырь должен быть устойчивым, т. е. не разрушаться. Эквивалентный критический диаметр пузыря, при котором наступает его разрушение, равен (В.Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика. Физматгиз. М., 1959).

где V_п - скорость всплытия пузыря;
C_f - коэффициент сопротивления пузыря.

Коэффициент сопротивления максимально деформированного пузыря (И.А. Вахрушев, Г. И. Ефремов. Интерполяционная формула для расчета скорости движения одиночных пузырей в жидкости // Химия и технология топлив и масел, N 5, 1970) C_f = 2,6.

Поэтому

Очевидно, что сформированный пузырь не должен разрушаться вплоть до выхода на поверхность жидкости, т.е. должно соблюдаться условие

где H - высота столба жидкости над барботером;
P_а - атмосферное давление.

По экспериментальным данным (И.В. Белов, Е.В. Проколов. Скорость движения и формы воздушных пузырей в воде // ПМТФ, N 3, 1968) скорость всплытия пузырей d_п ≥ 2 мм практически постоянна и составляет в среднем U_п ≈ 0,23 м/с. В этом случае из (8), (9) следует, что

Таким образом, для образования максимально деформированного устойчивого пузыря отверстия барботера должны удовлетворять следующему условию

Для того, чтобы отдельные пузыри в жидкости не коагулировали, должно, очевидно, выполняться условие, что расстояние между осями отверстий (сопел) барботера

Установка на отверстиях барботера мембран, прорываемых давлением инертного газа, подаваемого в жидкость при тушении горения в резервуаре (или обратных клапанов), обеспечивает отсутствие заливания барботера жидкостью в течение времени нахождения в резервуаре при отсутствии горения (и расхода газа) и, как следствие, равномерную по сечению резервуара подачу газа изо всех отверстий одновременно при тушении горения.

Установка емкости с пенообразующей жидкостью в резервуаре с горючей жидкостью приводит к увеличению сроков хранения пенообразующего раствора, вследствие меньшего диапазона сезонных колебаний температуры жидкости в резервуаре, по сравнению с температурой воздуха (М.В. Казаков, И.И. Петров, В.Ч. Реутт. Средства и способы тушения..., с. 68 и Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Абузова Ф.Ф., Бройнштейн И. С. и др. - М.: Недра, 1981, с. 37-40). Установка вихревой трубы в тракте подачи к барботеру газа, позволяет снизить температуру последнего, и регулировать ее. Таким образом, выполнение устройства с описанной выше конструкцией барботера, наряду с размещением емкости с пенообразующим раствором в горючей жидкости и установка вихревой трубы в тракте подачи инертного газа, обеспечивают минимизацию расхода газа и пенообразующего раствора и уменьшение времени тушения горения: во-первых, за счет обеспечения высокой интенсивности и равномерности перемешивания и равномерности генерирования пенного слоя; во-вторых, за счет повышения устойчивости пены из-за пониженного содержания в пузырях барботирующего газа паров горючей жидкости, вследствие бронирования пузырей и, в третьих, из-за более высокой сохранности свойств пенообразующего раствора за счет обеспечения более стабильного температурного режима при его длительном хранении.

Сущность изобретения поясняется рисунком, где на фиг. приведена принципиальная схема устройства для тушения горения жидкостей в резервуарах.

Устройство содержит источник 1 нейтрального газа (например баллон со сжатым инертным газом или пороховой аккумулятор давления), соединенную с ним газовую магистраль с редуктором - запорным клапаном 2 с приводом 3, управляемым по сигналу от извещателя воспламенения 13, например, типа ДТБТ (Добровольский А.Н., Переслыцких Ф.Ф. Пожарная техника. - К.: Технbка, 1981, с. 37-47). В газовой магистрали после запорного вентиля установлена вихревая труба 4, сопловой вход которой соединен с источником газа, а трубопровод холодного потока - с барботером 5, помещенным в нижнюю часть резервуара 6 с горючей жидкостью. Устройство содержит также наддуваемую по магистрали 7 от источника нейтрального газа 1 емкость с пенообразующим раствором 8, соединенную трубопроводом 9 с запорным клапаном 10, привод которого 11 управляется сигналом от извещателя воспламенения 7, и жидкостной форсункой 12 для подачи пенообразующего раствора в зону над барботером 5 в непосредственной близости к нему.

Емкость с пенообразующим раствором 8 может быть также установлена в горючей жидкости в резервуаре 6.

Реализация способа осуществляется следующим образом. При возгорании горючей жидкости, находящейся в резервуаре, подают инертный газ в горючую жидкость и одновременно подают пенообразующий раствор в жидкость над зоной образования пузырей барботирующего нейтрального газа.

При использовании предложенного устройства для реализации способа при возгорании горючей жидкости в резервуаре 6 по сигналу от извещателя воспламенения 13 срабатывают приводы 3 и 11 запорных клапанов 2 и 10 соответственно, открывая эти клапаны. Нейтральный газ от источника 1 поступает в газовую магистраль, редуктор 2 и затем к сопловому входу в вихревую трубу 4. После температурного разделения в вихревой трубе холодный поток газа поступает в барботер 5.

Одновременно с началом барботирования по магистрали 7 осуществляется наддув емкости с пенообразующим раствором 8 и подача пенообразующего раствора по трубопроводу 9 через форсунку (форсунки) 10 в горючую жидкость над барботером 5 в непосредственной близости к нему. Образующиеся на выходе из отверстий барботера пузыри бронируются двойным адсорбционным слоем из молекул пенообразователя и всплывают к поверхности жидкости в резервуаре, перемешивая ее.

При этом происходит интенсивное уменьшение температуры нагретого поверхностного слоя горючей жидкости, снижение концентрации ее паров над поверхностью и балластирование горючей смеси паров жидкости и кислорода не поддерживающим горение газом, содержащимся в барботажных пузырях. Одновременно происходит образование на поверхности горения изолирующего слоя пены повышенной стойкости.

Пример осуществления изобретения. Для вертикального стального резервуара объемом 5000 м³ (D = 22,8 м; H = 11,92 м) со стационарной конической крышей, требуемый для эффективного тушения развитого горения всей поверхности находящегося в нем бензина, расход газа на барботирование и пенообразование составляет ~ 600 л/с, а его запас при расчетном времени тушения τ_т ≅ 60 с - 36,0 м³. Для хранения этого запаса газа в баллонах централизованного источника газа емкостью 40 л каждый при давлении 125 кг/см² (Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справ. изд. / А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов и др. - М.: Химия, 1987, с. 197) устанавливают 6 двухбаллонных батарей типа Т-2МА или одну батарею типа БАЭ с двумя секциями СН, содержащими 12 баллонов емкостью 40 л каждый (Проектирование автоматических установок порошкового пожаротушения для защиты резервуаров с плавающей крышей и насосных станций магистральных нефтепроводов: (Рекомендации). - М.: ВНИИПО, 1986, с. 14-15). Количество пенообразующей жидкости, используемое для генерирования слоя пены высотой ~ 40-50 мм, обеспечивающего 30-40-кратное снижение скорости поступления паров бензина в зону горения, составляет 0,5 - 1,2 м³ при подаче пенообразующего раствора в зону подачи газа на барботирование. Для сравнения отметим, что при подаче пены на поверхность горящей жидкости расход пенообразующей жидкости составляет 2,0-2,5 м³ (М.В. Казаков, И.И. Петров, В.Ч. Реутт Средства..., табл. 18, с. 95). Диаметр отверстий барботера составляет d_о = 3 мм, расстояние между осями отверстий L = 9 мм.

Для резервуара емкостью 50000 м³ с плавающей крышей при защищаемой площади зазора 40 м² (Проектирование автоматических установок..., с. 24) одна батарея Т-2МА обеспечит работу барботажной системы в режиме тушения пожара в течение > 65 с.

Количество пенообразующей жидкости, необходимое для тушения пожара составляет ~0,1 м³.

В связи с тем, что работа устройства полностью раскрыта выше, то описание ее не приводится.

Формула изобретения

1. Способ тушения горения жидкостей в резервуарах, включающий подачу инертного газа в жидкость и пенообразующего раствора, отличающийся тем, что пенообразующий раствор подают в жидкость над зоной образования пузырей барботирующего инертного газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инертный газ перед подачей в жидкость охлаждают до температуры, меньшей точки замерзания пенообразующего раствора.

3. Устройство для тушения горения жидкости в резервуаре, содержащее емкость с пенообразующим раствором, соединенную с форсункой через трубопровод с запорным клапаном, источник инертного газа, соединенный с установленным в жидкости барботером трубопроводом с запорным клапаном, извещатель воспламенения, функционально соединенный с запорными клапанами, отличающееся тем, что форсунка установлена над барботером в непосредственной близости к нему.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что барботер выполнен в виде емкости с равномерно расположенными относительно поперечного сечения резервуара отверстиями, диаметр которых выбирают из соотношения

а расстояние между осями отверстий

где σ_ж - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
ρ_ж, ρ_г - плотность жидкости, газа;
Н - высота столба жидкости над барботером;
P_а - атмосферное давление;
g - ускорение земного тяготения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в отверстиях барботера установлены прорывные мембраны или обратные клапаны.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что емкость с пенообразующим раствором установлена в резервуаре с жидкостью.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в трубопроводе, соединяющем источник газа с барботером, установлена вихревая труба, сопловой вход которой соединен с источником газа, а трубопровод холодного потока с барботером.

РИСУНКИ

Рисунок 1