Аэрозолеобразующий состав и генератор огнетушащего аэрозоля

 

Изобретение относится к технике тушения пожаров химическими веществами, а именно к тушению пожаров аэрозолем, генерируемым при сгорании аэрозолеобразующего состава. Повышение огнетушащей способности состава, улучшение токсикологических характеристик продуктов горения, повышение скорости горения и аэрозолеобразования и снижение температуры генерируемого аэрозоля за счет использования в качестве горючих аэрообразующих реагентов азидов натрия или калия совместно с разработкой оригинальной конструкции генератора огнетушащего аэрозоля. Использование в качестве окислителя перхлоратов натрия или калия, а в качестве связующего хлорированной поливинилхлоридной смолы (ХПВХС), содержащих в своем составе повышенное содержание хлора, позволило получить аэрозоль, дисперсная фаза которого состоит исключительно из хлоридов натрия и калия. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике тушения пожаров химическими веществами, а именно к тушению пожаров аэрозолем, генерируемым при сгорании аэрозолеобразующего состава.

Существующие аэрозолеобразующие составы (АОС) содержат горючие связующие (фенолформальдегидные или эпоксидные смолы), окислители (нитраты и перхлораты калия или натрия) и газифицирующие добавки (дицианамид, бензоаты и др.), а также энергетические добавки (порошок магния), использование которых приводит к повышению температуры горения АОС и выходящего аэрозоля (патенты РФ 2082470 от 27.06.97, кл. А 62 С 3/00, 2098156 от 10.12.97, кл. А 62 С 3/00, А 62 D 1/00; 2101054 от 10.01.98, кл. А 62 С 3/00, А 62 D 1/00).

За прототип для предлагаемого аэрозолеобразующего состава АОС был выбран состав для тушения пожаров (патент РФ 2095104 от 10.11.97, кл. А 62 D 1/00, 1/06), состоящий из смеси горючего связующего (бензойные кислоты и смолы), охладителя и окислителя (нитраты, перхлораты калия и натрия или их смеси) и позволяющий получить в продуктах сгорания дисперсные частицы К₂О, Na₂О, КОН, К₂СО₃, Na₂COs, частично КСl и инертные газы N₂, CO₂ при небольшом содержании вредных примесей HCN, NH₃ и СО. Для снижения температуры горения в состав вводятся дицианамид или мелем, или меламин, или мочевина, или уротропин, или азобисформамид (ГДА).

В описании к патенту отмечено, что хлориды щелочных металлов в составе аэрозоля оказывают большее огнетушащее действие, чем оксиды и карбонаты. Известно, что хлориды гораздо менее токсичны, чем все перечисленные выше соединения.

Недостатками существующих составов, сказывающимися на их практическом использовании, являются: - использование в составах для снижения температуры аэрозоля химических соединений - охладителей, которые забирают тепло из зоны горения, приводя к снижению температуры горения и, как следствие, к снижению полноты реагирования основных компонентов в составе и повышению содержания в газовой фазе аэрозоля токсичных продуктов - монооксида углерода, цианидов, аммиака; - использование в составах нитратов или перхлоратов щелочных металлов приводит к образованию дисперсной фазы аэрозоля в виде токсичных частиц оксидов и карбонатов щелочных металлов К₂О, Na₂О, КОН, К₂СО₃, Na₂СО₃ (ПДК 0,5; 0,4;0,5;2,0;2,0 мг/м³, соответственно); - использование в виде технологических добавок и катализаторов токсичных оксидов меди, соединений хрома и фтора (см. прототип), также ухудшающих токсикологические характеристики генерируемого аэрозоля.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении огнетушащей способности состава, улучшении токсикологических характеристик продуктов горения за счет разработки нового аэрозолеобразующего состава, а также повышении скорости горения и аэрозолеобразования состава.

Сущность изобретения заключается в том, что аэрозолеобразующий состав включает окислитель - перхлорат калия или натрия, связующее - хлорированную поливинилхлоридную смолу, технологическую добавку - углерод технический, горючее - азид натрия или калия при следующем соотношении компонентов, мас. %: Окислитель (КСlО₄ или NaClO₄) - 58-62 Горючее (NaN₃ или КN₃) - 14-16 Связующее (ХПВХС - С₂Н₂, 56 Сl_1,44) - 12-14 Углерод - 5-8 Кроме того, состав имеет стехиометрическое соотношение между щелочным металлом горячего компонента - азида натрия или калия, и хлором, содержащимся в связующем - хлорированной поливинилхлоридной смоле.

При этом состав имеет нулевой или слабо положительный кислородный баланс.

Для снижения температуры генерируемого аэрозоля наряду с разработкой нового экологически чистого состава предлагается новая конструкция генератора огнетушащего аэрозоля ГОА. При выборе ближайшего аналога (прототипа) устройства для генерации аэрозоля учитывался то, что для увеличения скорости горения и аэрозолеобразования необходим подогрев заряда продуктами его сгорания.

Прототипом разрабатываемому послужило устройство аэрозольного огнетушителя (патент РФ 2031671 от 16.12.92, кл. А 62 С 13/22), который состоит из наружного и внутреннего полукорпусов, выполненных в виде стаканов, причем внутренний полукорпус с расположенным в нем зарядом расположен коаксиально в наружном с определенным зазором. Сущность изобретения-прототипа заключается в увеличении скорости заряда за счет повышения его температуры нагреванием продуктами горения состава. Аэрозоль, распространяясь по кольцевому газоходу между наружным и внутренним полукорпусами, нагревает заряд, находящийся во внутреннем полукорпусе.

Недостатком устройства-прототипа является то обстоятельство, что в нем недостаточно эффективно используется теплопередача от аэрозоля к заряду, т. к. примерно половина тепла расходуется на нагрев наружного полукорпуса.

Сущность изобретения состоит в решении комплексной задачи по созданию нового аэрозолеобразующего состава АОС с использованием в качестве горючих аэрозолеобразующих реагентов азидов натрия или калия совместно с разработкой оригинальной конструкции генератора огнетушащего аэрозоля, обеспечивающих повышение скорости горения и аэрозолеобразования состава и снижении температуры аэрозоля на выходе из генератора огнетушащего аэрозоля ГОА, а также улучшения токсикологических показателей аэрозоля за счет того, что в генераторе огнетушащего аэрозоля, состоящим из цилиндрического корпуса, узла инициирования, заряда из аэрозолеобразующего состава, заряд выполнен в виде цилиндрической шашки с внутренним каналом, облицованным металлической аэрозолеотводящей трубой, перфорированной в нижней, свободной от заряда, части цилиндрического корпуса, а на верхнюю часть корпуса установлен тарельчатый рассеиватель аэрозоля.

Известно большое количество пиротехнических составов на основе азидов натрия и калия для генерации низкотемпературных, нетоксичных и неагрессивных газов. Эти составы применяются для экстренного наддува различных емкостей, подушек безопасности, плавсредств и т.д. Кроме того они используются в лазерной технике получения чистого азота и его смесей с углекислым газом и парами воды. Как правило для улавливания твердых частиц оксидов щелочных металлов такие составы содержат специальные добавки. Однако газогенерирующие составы на основе азидов натрия и калия могут быть успешно применены для тушения пожаров, а содержание в продуктах тушения частиц аэрозоля значительно повышает эффективность их огнетушащего действия.

Использование в качестве окислителя перхлоратов натрия или калия, а в качестве связующего хлорированной поливинилхлоридной смолы (ХПВХС), содержащих в своем составе повышенное содержание хлора, позволило получить аэрозоль, дисперсная фаза которой состоит исключительно из хлоридов натрия и калия. Неочевидным оказалось то, что в предложенном диапазоне окислитель-горючее, поддержание соотношения по пункту 2 формулы позволяет получать аэрозоль, практически не содержащий оксиды, гидроксиды и гидрокарбонаты щелочных металлов. А поддержание нулевого или слабо положительного кислородного баланса по пункту 3 формулы позволяет получать аэрозоль с незначительным содержанием СО при отсутствии примесей цианидов и аммиака.

Использование в составе азидов натрия и калия позволяет получать аэрозоль с ультрадисперсным размером частиц конденсированной фазы хлоридов за счет прохождения реакции их образования в газовой фазе. Тем самым в составе аэрозоля присутствует 35-40% частиц NaCl и КаСl размером 0,1-0,5 мкм, обеспечивающих высокую живучесть аэрозоля. Ингибирующие горение частицы хлоридов натрия и калия, полученные из окислителей NaClO₄ и КСlO₄, имеют более крупные размеры. Таким образом, предлагаемая рецептура состава позволяет получать аэрозоль с полидисперсным составом твердой фазы.

Технологическая добавка - углерод технический - вводится в состав для облегчения его формования в корпус ГОА, а также для поддержания в составе кислородного баланса согласно п.3 формулы.

Предлагаемый аэрозолеобразующий состав имеет следующую рецептуру, мас.%: Окислитель (КСlO₄ или NaClO₄) - 58-62
Горючее (NaN₃ или KN₃) - 14-16
Связующее (ХПХВС - С₂Н_2,56Сl_1,44) - 12-14
Углерод технический - 5-8
Проведенные термодинамические расчеты показали, что адиабатическая температура состава в выбранных пределах варьирования количества реагентов не превышает 1200К, а энтальпия химической реакции 1400-1800 КДж/кг (см. таблицу). Расчетные данные подтвердились экспериментами, в которых измеренная термопарным методом температура горения составов не превысила 850^oС. Низкими были и скорости горения составов (см. таблицу). Это свидетельствует о низкой экзотермичности суммарной реакции взаимодействия компонентов.

Для повышения скорости горения заряда предлагается новое устройство генератора огнетушащего аэрозоля (см. чертеж). Генератор огнетушащего аэрозоля состоит из цилиндрического корпуса (1), в который помещается заряд аэрозолеобразующего состава (2), выполненный в виде цилиндрической шашки с каналом, в котором без зазора находится металлическая аэрозолеотводящая труба (3), перфорированная в нижней ее части. С донной части генератора огнетушащего аэрозоля ГОА снабжается кольцевым узлом инициирования горения (4). При необходимости (например, для защиты оборудования от осевой аэрозольной струи) генератор может быть снабжен в верхней торцевой части тарельчатым рассеивателем аэрозоля (5). Принцип работы генератора огнетушащего аэрозоля ГОА следующий. После инициирования процесса горения его плоский фронт движется по кольцевому каналу вверх, а в противоположном направлении движется поток продуктов горения, т.е. поток аэрозоля. Пройдя через отверстия в нижней части металлической аэрозолеотводящей трубы, поток аэрозоля направляется вверх и при этом интенсивно обменивается теплом с несгоревшим зарядом через тонкие стенки металлической аэрозолеотводящей трубы. Тем самым заряд аэрозолеобразующего состава подогревается, температура и скорость его горения возрастают и, напротив, аэрозоль остывает по мере движения по длинномерному каналу. Необходимо отметить, что по мере сгорания заряда аэрозолеобразующего состава путь, проходимый аэрозолем от фронта горения до выходного верхнего торца генератора огнетушащего аэрозоля все время увеличивается и, таким образом, аэрозоль успевает охладится в 7-8 раз по сравнению с температурой во фронте горения.

Предлагаемые технические решения поясняются примерами приготовления состава, снаряжения генератора огнетушащего аэрозоля и испытаний генератора для тушения очага загорания.

Пример 1.

Смесь, мас.%:
КСlО₄ - 62
NaN₃ - 16
С₂Н_2,56Сl_1,44 - 14
С - 8
Вводят в смеситель предварительно просушенные 62 г перхлората калия, 18 г азида натрия, 14 г хлорированной поливинилхлоридной смолы и 8 г порошка технического углерода. Смесь перемешивают в течение 1 часа.

Пример 2.

Приготовленную по примеру 1 смесь засыпают в корпус генератора огнетушащего аэрозоля в зазор между металлической трубкой и корпусом. Корпус термостатируется до температуры 150^oС и производится формование заряда методом горячего глухого прессования при удельном давлении 100-150 кг/см².

Пример 3.

Генератор огнетушащего аэрозоля с зарядом, сформованным по примеру 2, подвергался испытаниям на огнетушащую способность в соответствии с разделом 7 НПБ 60-97 при тушении тлеющего очага класса А1. Определенная огнетушащая концентрация - 69,4 г/м³.

После тушения очага загорания аэрозоль из помещения удаляется его вентилированием, а осевшие на оборудовании, мебели и полу осевшие хлориды легко удаляются с помощью пылесоса.

Формула изобретения

1. Аэрозолеобразующий состав, включающий окислитель - перхлорат калия или натрия, связующее - хлорированную поливинилхлоридную смолу, технологическую добавку - углерод технический, горючее - азид натрия или калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окислитель (КСlО₄ или NaClО₄) - 58-62
Горючее (NaN₃ или KN₃) - 14-16
Связующее (ХПВХС - С₂Н_2,56Сl_1,44) - 12-14
Углерод - 5-8
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что имеет стехиометрическое соотношение между щелочным металлом горючего компонента - азида натрия или калия и хлором, содержащимся в связующем - хлорированной поливинилхлоридной смоле.

3. Состав по п.1 или 2, отличающийся тем, что имеет нулевой или слабо положительный кислородный баланс.

4. Генератор огнетушащего аэрозоля, состоящий из корпуса, узла инициирования, заряда из аэрозолеобразующего состава, отличающийся тем, что заряд выполнен в виде цилиндрической шашки с внутренним каналом, облицованным металлической трубой, перфорированной в нижней, свободной от заряда, части корпуса.

5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что на верхнюю часть корпуса установлен тарельчатый рассеиватель аэрозоля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2