Способ тушения огня и устройство для его реализации

Способ и устройство для тушения огня относятся к области создания средств тушения горящих продуктов различной природы и назначения, в том числе нефти, древесины, природного газа и их производных, а точнее тушения с помощью гранул диоксида углерода. Технический результат достигается тем, что в способе тушения огня, включающем введение в зону горения твердого гранульного диоксида углерода, последний вводят в зону горения в псевдоожиженном состоянии со сверхзвуковой скоростью истечения. Устройство для тушения огня согласно решению содержит контейнер, предназначенный для размещения гранул диоксида углерода, и средство подачи гранул в зону горения, при этом устройство дополнительно снабжено емкостью, выполненной с возможностью перевода указанных гранул в псевдоожиженное состояние, а средство подачи гранул в зону горения выполнено с возможностью подачи в зону горения гранул в псевдоожиженном состоянии со сверхзвуковой скоростью. Изобретение включает два объекта - способ и устройство для его реализации, связанные единым изобретательским замыслом. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

Заявляемые способ и устройство для тушения огня относятся к области создания средств тушения горящих продуктов различной природы и назначения, в том числе нефти, древесины, природного газа и их производных, а точнее тушения с помощью гранул диоксида углерода.

Известны высокоэффективные способы пожаротушения, основанные на применении газообразного, жидкого и твердого диоксида углерода. В процессе воздействия диоксида углерода из зоны огня вытесняется окислитель (воздух и т.п.). Минимальная концентрация CO₂, прекращающая горение разных продуктов, составляет от 13 до 16% (см. книгу П.Г.Демидов «Основы горения веществ», изд. Министерства коммунального хозяйства, Москва, 1951 г.). При использовании снега или гранул диоксида углерода снижается температура горения, т.к. в твердом состоянии СО₂ имеет температуру -78,2°С.

Необходимо отметить, что диоксид углерода не участвует в образовании парникового эффекта в атмосфере Земли и может быть использован при тушении разных видов горючих веществ, за исключением термитной реакции горения металлов.

В связи с отмеченным, в многочисленных изобретениях делаются попытки с той или иной степенью эффективности использовать твердый диоксид углерода для пожаротушения.

Из уровня техники известны способы тушения горящих жидкостей, хранящихся в резервуарах, «сухим льдом» путем локального введения раздробленного диоксида углерода под слой горящей жидкости компактными порциями. Диаметр дроби составляет 3-4 см (А.С. СССР №1687266, А 62 С 3/06).

Согласно А.С. СССР №776616, А 62 С 1/10 на горящую поверхность жидкости подают двуокись углерода в виде пористых сферических гранул, которые, интенсивно испаряясь, свободно перемещаются по поверхности жидкости за счет реактивных сил оттекающих газов. При этом происходит интенсивный теплообмен между двуокисью углерода и прогретым или гометермическим слоем жидкости, в результате чего поверхностный слой охлаждается до температуры, меньшей температуры вспышки, после чего горение прекращается.

Эффективность известных способов низка, т.к. подача твердого диоксида углерода производится в поверхностную зону в ограниченное пространство. Слипание гранул, а также их дробление на более мелкие части затрудняет подачу гранул в зону горения и их распределению в горящем пространстве.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является изобретение по патенту США №6442968, F 25 J 1/00, в котором пожаротушение осуществляют также твердым диоксидом углерода. Последний в виде гранул получают из жидкой углекислоты в специально сконструированном для этих целей массивном огнетушителе, а далее с помощью ротора, являющегося частью огнетушителя, подают в зону горения. В известном решении процесс подачи гранул неразрывно связан с их изготовлением, что осложняет подачу гранул в зону пожара, снижает эффективность пожаротушения, а также повышает его стоимость.

Задачей заявляемого комплексного решения является повышение эффективности пожаротушения и снижение его стоимости.

Технический результат, проявляющийся за счет решения поставленной задачи, достигается тем, что в способе тушения огня, включающем введение в зону горения твердого гранульного диоксида углерода, последний вводят в зону горения в псевдоожиженном состоянии со сверхзвуковой скоростью.

Устройство для тушения огня согласно заявляемому комплексному решению содержит контейнер, предназначенный для размещения гранул диоксида углерода, и средство подачи гранул в зону горения, при этом устройство дополнительно снабжено емкостью, выполненной с возможностью перевода указанных гранул в псевдоожиженное состояние, а средство подачи гранул в зону горения выполнено с возможностью подачи в зону горения гранул в псевдоожиженном состоянии со сверхзвуковой скоростью.

Заявляемое решение включает два объекта - способ и устройство для его реализации, связанные единым изобретательским замыслом.

Сущность изобретения состоит в том, что для тушения пожара используют смесь готовых гранул диоксида углерода, которые переводят в псевдоожиженное состояние, полученную «кипящую жидкость» разгоняют до сверхзвуковой скорости и подают на этой скорости в зону горения.

Современный уровень развития техники позволяет исключить изготовление гранул диоксида углерода на месте возгорания и использовать для тушения очага пожара готовые гранулы (в т.ч. изготовленные на достаточно большом расстоянии от места пожара), доставленные в требуемые место и время, например, в теплоизолированных контейнерах, позволяющих сохранить гранулы в течение 5-7 дней, например, с помощью авиации.

Из уровня техники известно понятие «псевдоожижение» (см., например, Политехнический словарь. Издательство «Советская Энциклопедия». М., 1980, с.421). Псевдоожижением называют процесс превращения (перевода) слоя зернистого сыпучего материала в «псевдожидкость» (или «кипящую жидкость») под воздействием проходящего через слой потока ожижающего агента - газа или жидкости.

В псевдоожиженном состоянии твердые частицы интенсивно перемещаются одна относительно другой, при этом среда (смесь твердых частиц с жидкостью или газом) приобретает некоторые свойства жидкости, ее поведение подчиняется законам гидростатики. Между твердыми частицами и ожижающим агентом достигается тесный контакт.

Для перевода материала в псевдожидкость скорость подачи ожижающего агента должна быть такой, при которой обеспечивается равновесие: P=Q, где Р - гидродинамическое давление потока жидкости или газа, a Q - сила тяжести, действующая на частицы. При превышении требуемого значения скорости потока и достижении величин, при которых P>Q, частицы начинают выноситься из потока.

Согласно заявляемой группе изобретений для достижения состояния «кипящей жидкости» в контейнер огнетушителя загружают твердые гранулы диоксида углерода, а затем в специальной емкости переводят гранулы в псевдожидкость, для чего подают поток воздуха в смеси с CO₂, или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания (от тех же пожарных машин), или углекислого газа. При этом происходит активное взаимодействие газообразной и твердой компонент с образованием среды, напоминающей «кипящую жидкость». Скорость подачи газа должна отвечать указанному выше соотношению. Благодаря интенсивному перемешиванию гранул достигается постоянство температуры по высоте и сечению потока, даже в период взаимодействия потока с пламенем.

При этом температура «кипящей жидкости» достигает до -78°С, что позволяет при тушении пожара не только выводить окислитель, но и снижать температуру.

Гидростатические свойства «кипящей жидкости» обеспечивают упрощение управления потоком гранул в процессе их разгона до сверхзвуковой скорости и подачи в зону горения и за счет этого снижение энергозатрат на пожаротушение.

В варианте реализации в емкость с гранулами диоксида углерода подают воздух в количестве и со скоростью, обеспечивающими содержание СО₂ в газовой фазе более 16 мас.% и образование «кипящей жидкости».

В варианте реализации в емкость с гранулами диоксида углерода подают углекислый газ в количестве и со скоростью, обеспечивающими образование «кипящей жидкости». В варианте реализации в емкость с гранулами диоксида углерода подают выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания в количестве и со скоростью, обеспечивающими содержание СО₂ в газовой фазе более 16 мас.% и образование «кипящей жидкости».

Применение псевдоожиженной среды по сравнению с чистыми гранулами компенсируется простотой управления потоком.

В ходе исследования компьютерной модели и экспериментального изучения сублимации гранул диоксида углерода при разных температурах горения древесины, нефти, природного газа авторами получены данные, представленные в табл.1, 2.

Таблица 1
Продукты	Температура в зоне горения, °С	Время испарения гранулы диоксида углерода диаметром 1 мм, сек
Древесина	1000	0,15
Газонефтяной фонтан	1100	0,13
Нефтепродукты, нефть	1300	0,12
Метан	1950	0,08
Таблица 2
Температура горения продуктов, °С	Дальность полета гранул диоксида углерода до испарения, м
При скорости истечения 10 м/сек	При скорости истечения 50 м/сек	При скорости истечения 100 м/сек	При скорости истечения 330 м/сек
1000	1,5	7,5	15	˜50
1100	1,3	6,5	13	43
1300	1,2	6,0	12	40
1950	0,8	4,0	8,0	26,4

Из табл.2 видно, что при увеличении скорости метания гранул дальность их полета достигает следующих величин:

- при 50 м/сек - от 4 до 7,5 м;

- при 100 м/сек - от 8 до 15 м, т.е. расстояние в ˜2 раза выше;

- при 330 м/сек (скорость звука в нормальных условиях) - от 26 до 50 м, т.е. расстояние

в ˜6 раз выше.

Применение псевдоожиженной среды позволяет придать потоку сверхзвуковую скорость (на срезе сопла), поскольку физическая дальность струи зависит от начальной скорости истечения и начального диаметра (при неизменном угле наклона к горизонту) и определяется известным критерием Фруда (Fr), т.е. отношением сил инерции к силам гравитации (для параметров на срезе сопла средства метания).

Fr=W/(d_c·g)^1/2,

где W - начальная скорость струи, м/с;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

d_c - диаметр сопла, м

(см. журнал «Газовая промышленность», июнь 2005 г., стр.82-84).

Таким образом, обеспечивается не только доставка огнетушащего реагента на дальнее расстояние и воздействие на обширную площадь возгорания, но и повышение эффективности пожаротушения за счет сохранения целостности самих гранул до зоны огня.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о преимуществах подачи гранул в зону горения со сверхзвуковой скоростью, при этом управление псевдоожиженным потоком гранул является оптимальным.

Заявляемое решение иллюстрируется графическим материалом, где в схематичной форме представлено устройство (огнетушитель) для реализации заявляемого способа тушения огня.

Устройство содержит контейнер (может быть термостатированным) для размещения гранул диоксида углерода 1, емкость 2, в которой осуществляется перевод гранул диоксида углерода в псевдоожиженное состояние путем подачи в емкость 2 потока газа. В варианте реализации контейнер 1 может быть совмещен с емкостью 2. Для регулирования давления и объема подачи газа емкость 2 снабжена элементом регулировки параметров процесса, выполненном, например, в виде пористой диафрагмы 3. Газ при этом поступает из инжектора 4 (струйный насос для нагнетания жидкости или газа в резервуары). Давление в инжекторе 4 должно быть достаточным для подъема и зависания гранул в замкнутом пространстве емкости 2, т.е перевода гранул в псевдоожиженное состояние.

Для придания псевдоожиженному потоку гранул сверхзвуковой скорости последний перемещается с помощью эжектора 5 в специальное средство 6, выполненное, например, в виде сопла Лаваля, известного из уровня техники, представляющего собой канал переменного сечения, состоящий из сужающейся (дозвуковой) и расширяющейся (сверхзвуковой) частей. Сопло Лаваля имеет преимущественно криволинейную поверхность. В минимальном (критическом) сечении скорость потока практически становится равной местной скорости звука (см., например, Новый политехнический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия. 2000 г., стр.257). Расчет сопла Лаваля производится по известным специалистам соотношениям. Сопло Лаваля снабжено магистралью высокого давления 7 для подачи газа.

Для создания давления в инжекторе 4, а также в магистрали 7 могут быть использованы следующие среды:

1. Воздух.

2. Углекислый газ.

3. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

Готовые гранулы диоксида углерода загружают в термостатированный контейнер 1, откуда они поступают в емкость 2 с пористой диафрагмой 3. Через последнюю в емкость 2 с помощью инжектора 4 подают воздух или углекислый газ или выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания со скоростью, обеспечивающей получение «кипящей жидкости» в емкости 2. Поток «кипящей жидкости» через эжектор 5 (струйный насос для отсасывания жидких и газообразных сред, известен из уровня техники...) нагнетается в сопло Лаваля 6 с помощью среды, подаваемой через магистраль высокого давления 7. При этом в расширяющейся части сопла Лаваля поток приобретает сверхзвуковую скорость, с которой он покидает устройство.

Для уменьшения теплообмена с окружающей средой диафрагму 3 изготавливают из оксидных керамических или других известных из уровня техники материалов с теплопроводностью ниже, чем у металла, например, фторопласта. Диаметр пор диафрагмы 3 не превышает диаметр гранул с учетом их возможного испарения за период нахождения в емкости 2.

Необходимо заметить, что контейнер 1 может быть выполнен в виде части емкости 2, а также без термоизоляции. При этом гранулы загружаются прямо в устройство из контейнера, в котором они были доставлены на место пожара.

Одной из характеристик, определяющих эффективность пожаротушения, служит количество гранульного диоксида углерода, необходимого для прекращения горения в воздушной среде, т.е. 16% (о чем выше сделана ссылка на книгу П.Г.Демидова).

Достижение этой концентрации (16%) в 1 м³ объема производится при испарении 0,2 кг гранул диоксида углерода, т.е. объем, защищаемый 1 кг гранул CO₂, составит 5 м³. У лучших аэрозольных огнетушителей этот показатель не превышает 2,5 м³.

Преимущества тушения пожаров заявляемым решением состоят в следующем:

- эффективность тушения превышает в 2 раза эффективность лучших аэрозольных огнетушителей за счет увеличения рабочей зоны, отсечения окислителя и снижения температуры в зоне горения;

- обеспечивается объемное подавление пожаров класса А, В,С;

- обеспечивается тушение электрооборудования напряжением до 10000 вольт;

- обеспечивается дистанционное блокирование распространения открытого пламени;

- обеспечивается эффективное тушение лесных пожаров, как за счет локального подавления пламени, так и за счет охлаждения поверхностного слоя земли, что позволяет быстро вводить технику в зону пожара;

- обеспечивается предупреждение и подавление газовых и нефтегазовых взрывов путем разрыва горящей струи;

- экологическая безопасность, отсутствие воздействия на озоновый слой Земли;

- мобильность использования гранул без необходимости их длительного хранения;

- снижение затрат на подготовку диоксида углерода перед введением в зону горения;

- снижение затрат на процесс тушения пожара в целом.

Оптимально гранулы производить известными индустриальными методами, транспортировать к местам возгорания в термостатированных контейнерах и использовать в виде псевдоожиженного слоя, получаемого прямо в огнетушителе, предназначенном для реализации заявляемого способа.

Представленные в заявке примеры реализации изобретения не исключают существование других вариантов реализации, не изменяющих сущности решения.

1. Способ тушения огня, включающий введение в зону горения твердого гранульного диоксида углерода, отличающийся тем, что гранулы диоксида углерода вводят в зону горения в псевдоожиженном состоянии со сверхзвуковой скоростью истечения.

2. Устройство для тушения пожара, включающее контейнер, выполненный с возможностью размещения в нем гранул диоксида углерода, и средство подачи гранул в зону горения, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено емкостью, выполненной с возможностью перевода указанных гранул в псевдоожиженное состояние, а средство подачи гранул в зону горения выполнено с возможностью подачи в зону горения гранул в псевдоожиженном состоянии со сверхзвуковой скоростью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что емкость для перевода гранул в псевдоожиженное состояние содержит средство подачи газа в указанную емкость и средство эжекции псевдоожиженного слоя.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство подачи газа выполнено в виде инжектора, а средство эжекции в виде эжектора.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство подачи гранул в зону горения выполнено в виде сопла Лаваля.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что емкость для перевода гранул в псевдоожиженное состояние дополнительно содержит перфорированную диафрагму, при этом диаметр пор диафрагмы не превышает диаметр гранул с учетом их возможного испарения в период нахождения в емкости.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что диафрагма выполнена из материала с теплопроводностью ниже, чем у металлов.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что диафрагма выполнена из оксидной керамики или фторопласта.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контейнер для размещения гранул выполнен в емкости для перевода гранул в псевдоожиженное состояние.