Способ газодисперсного тушения пожаров и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области противопожарной техники, предназначено для тушения пожаров классов А, В, С и электроустановок до 7000 В без участия человека и обеспечивает повышение эффективности тушения на опасных производствах угольной, горнорудной, химической, нефтяной, атомной промышленности, на транспорте, в промышленных зданиях и сооружениях, складских помещениях и гаражах, а также обеспечивает подавление дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых образований. Способ газодисперсного тушения легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов и подавления дефлаграционного горения газопылевых и газовоздушных смесей путем подачи газодисперсного потока огнетушащего вещества из модульного устройства в зону пожара отличается тем, что ингибирующую дисперсную фазу с ювенильной поверхностью и флегматизирующую дисперсионную среду вышеуказанного газодисперсного потока формируют из сверхкритического флюида, образованного в результате предлагаемых действий, включающих инициирование пироэлемента на запорно-пусковом устройстве параллельно с инициированием термохимического заряда и осуществляемых с помощью предлагаемого устройства. Устройство применимо в автоматических и автономных системах пожаротушения и отличается тем, что запорно-пусковое устройство на газовом баллоне выполнено в виде, как минимум, двухслойного пыжа, впрессованного в корпус сифона, причем нижняя часть пыжа, соприкасающаяся с содержимым газового баллона, выполнена из термоплавкой фольги или пластины, а верхняя наружная часть пыжа выполнена из эластичного пироэлемента с электровоспламенителем, скоммутированным с узлом электропуска пиропатрона. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области противопожарной техники, а именно к газодисперсному (газопорошковому, газоаэрозольному, газожидкостному или комбинации из них) способу тушения пожаров классов А, В, С и электроустановок до 7000 В без участия человека, может быть использовано на опасных производствах угольной, горнорудной, химической, нефтяной, атомной промышленности, на транспорте, в промышленных зданиях и сооружениях, складских помещениях и гаражах, а также для подавления дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых образований.
Изобретение промышленно применимо в автоматических и автономных системах пожаротушения.
Известны способы тушения пожаров с использованием 2-х или нескольких огнетушащих веществ путем их предварительного смешения, аэрации и подачи образованной газодисперсной смеси в зону пожара. Эти способы описаны в патентах РФ и заявке РСТ [1-10].
Общим недостатком этих способов-аналогов является их относительно низкая эффективность тушения ЛВЖ и ГЖ и невозможность тушения дефлаграционного горения.
Наиболее близкими по сущности изобретения аналогами являются «Огнетушащий газодисперсный состав, способ тушения и устройство для его осуществления» по заявке № PCT/RU 2006/000167 , опубликованной под № WO 2007/117168 А1, 18.10.2007 г. с приоритетом от 22.06.04 г., и патент РФ №2254156 С1, опубликованный 20.06.05 г. с приоритетом от 22.06.04 г. «Способ порошкового пожаротушения и устройство для его осуществления».
Патент РФ №2254156 С1 выбран нами за прототип ввиду того, что он не только имеет максимальное количество аналогичных признаков изобретения по способу образования предварительно аэрированной газовой смеси и ее подачи через насадки-распылители в зону пожара под давлением, превышающим тепловую депрессию пожара со скоростью, превышающей скорость восходящего теплового потока от пожарной нагрузки, но и в том, что флегматизирующий газовый поток получают при сгорании твердотопливного заряда, размещенного в баллоне.
Совокупность действий и условия их осуществления в способе-прототипе обеспечивает скорость потока v≈20-50 м/с и не может обеспечить подавление дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых смесей, распространяющегося со скоростью 100-120 м/с (см. А.Н.Баратова. Горение - Пожар - Взрыв - Безопасность. - М; 2003, стр.169-170) и при этом имеют высокие значения огнетушащей концентрации: Cплoщ=0.78 кг/м2, Собъем≥0,52 кг/м3.
Известен модуль порошкового пожаротушения (Патент РФ №2283154, опубл. 20.03.2006 г., бюллетень №25 от 10.09.2006 г.), наиболее близкий по совокупности признаков к заявляемому устройству пожаротушения и выбранный нами за прототип. Модуль содержит нормированно разрушающийся корпус с крышкой и зарядом термореагирующего огнетушащего порошкового состава, внутри которого размещен газогенератор с инициатором, подключенным к системе сигнализации для принудительного его инициирования. При этом соотношение масс термореагирующего огнетушащего газогенерирующего заряда определяют по формуле:
,
где МГГС - масса газогенерирующего состава, кг;
Qгор - тепло сгорания ГГС, кДж/кг;
МОПС - масса термореагирующего ОПС, кг;
Е - энергия активации ОПС, кДж/кг.
Недостатками устройства-прототипа являются его низкая эффективность тушения ЛВЖ и ГЖ и невозможность подавления дефлаграционного горения газовоздушных и пылевоздушных смесей вследствие того, что оно не обеспечивает создание сформированных газодисперсных потоков. При подрыве модуля-прототипа массой 5.06 кг разрушается наружный корпус и продукты сгорания газогенерирующего состава и продукты реакции термореагирующего огнетушащего состава (ТРОПС) выбрасываются в атмосферу, образуя сферическое (при подрыве в воздухе) или полусферическое (при подрыве на земле) аэрозольное облако площадью S=20 м2, диаметром Ǿ=5 м (см. описание патента-прототипа №2283154).
При взрывоподавлении газовоздушных и газопылевых смесей протяженность защищаемой зоны должна быть не менее 20 м при скорости распространения фронта дефлаграционного горения метано-воздушной смеси (МВС) 100 м/с и времени индукции 0.05 с, после которого горение переходит во взрыв. Устройство-прототип обеспечивает за 0.02 с создание облака диаметром Ǿ=5 м, т.е. скорость потока составляет: R:τ =2.5 м : 0.02 с=125 м/с. Т.е. время прохождения направленного в одну сторону газодисперсного потока из модуля при защите 20 м туннеля составит 20 м:125 м/с=0.16 с, в то время, как через 0.05 с дефлаграционное горение МВС перейдет во взрыв (детонацию).
Отсюда следует, что для решения задачи необходимо поднять скорость подачи потока огнетушащего вещества ОТВ, как минимум, в 3.2 раза, т.е. до 400 м/с.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа газодисперсного тушения и устройства для его осуществления, позволяющих повысить эффективность тушения легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов и обеспечить подавление дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых смесей.
Поставленная задача решается предложенным способом газодисперсного пожаротушения и устройством для его осуществления, объединенных одним изобретательским замыслом.
Для получения вышеуказанного результата в заявляемом способе газодисперсного тушения ЛВЖ, ГЖ и подавления дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых образований осуществляют подачу газодисперсного потока огнетушащего вещества (ОТВ) из модульного устройства в зону пожара, при этом ингибирующую дисперсную фазу с ювенильной поверхностью и флегматизирующую дисперсионную среду вышеназванного газодисперсного потока формируют из сверхкритического флюида, образованного последующими действиями:
- инициируют с помощью пиропатрона с электропуском экзотермический процесс в термохимическом заряде, размещенном в реакционной камере, соединенной через выпускной клапан и демпферную камеру и впускной клапан с внутренней полостью газового баллона с газовым сжиженным флегматизатором и/или ингибитором горения;
- открывают выпускной клапан реакционной камеры и организуют истечение продуктов реакции термохимического заряда в демпферную камеру;
- по достижении давления в демпферной камере, превышающего давление насыщенных паров сжиженного газа в газовом баллоне, открывают впускной клапан на баллоне и организуют барботаж продуктов реакции термохимического заряда через сжиженный газовый флегматизатор и/или ингибитор горения до достижения сверхкритических значений давлений и температуры, необходимых для перевода образованной смеси огнетушащих веществ в сверхкритический флюид;
- параллельно с инициированием термохимического заряда инициируют пироэлемент на запорно-пусковом устройстве;
- открывают вышеназванное запорно-пусковое устройство, через сопло или сопла
организуют истечение газодисперсного потока огнетушащего вещества со сверхкритической скоростью в зону пожара.
Термохимический заряд в предлагаемом способе выполнен из дымного ружейного (ДРП) или пироксилинового (ПП) или баллистидного пороха, или смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ), или пиротехнического состава (ПС), или взрывчатого вещества (ВВ), либо в любой комбинации из них.
В качестве газового сжиженного флегматизатора горения берут диоксид углерода или шестифтористую серу, или «элегаз», или фторхладоны, а в качестве сжиженных ингибиторов берут бром- и/или йод-хладоны.
Способ осуществляют с помощью устройства - модуля газодисперсного пожаротушения, содержащего газовый баллон с зарядом газового сжиженного флегматизатора и/или ингибитора горения и размещенной внутри этого баллона реакционной камерой с термохимическим зарядом и пиропатроном с узлом электропуска, подключенным к системе пожарной сигнализации для принудительного инициирования термохимического заряда, причем для прохода продуктов реакции реакционная камера через ее выпускной клапан, демпферную камеру и впускной клапан соединена с внутренней полостью баллона со сжиженным газом, отличающегося тем, что запорно-пусковое устройство на газовом баллоне выполнено в виде, как минимум, двухслойного пыжа, впрессованного в корпус сифона, причем нижняя часть пыжа, соприкасающаяся с содержимым газового баллона, выполнена из термоплавкой фольги или пластины, а верхняя наружная часть пыжа выполнена из эластичного пироэлемента с электровоспламенителем, скоммутированным с узлом электропуска пиропатрона, при соотношении масс термохимического заряда и сжиженного газа:
где МТХЗ - масса термохимического заряда, кг,
Qреак - теплота реакции, кДж/кг,
Мсж.газа - масса сжиженного газа, кг,
Ср - теплоемкость сжиженного газа, кДж/кг•К,
Ткр - критическая температура для взятого вещества, К.
Tmin - минимально допустимая температура эксплуатации устройства, К.
Сравнение заявляемого способа с прототипом и другими способами порошкового, газопорошкового и газодисперсного пожаротушения, а также заявляемого устройства с прототипом-модулем порошкового пожаротушения, выявленными в уровне техники, показало, что неизвестно техническое решение поставленной задачи, в которой бы имело место предложенное сочетание признаков.
Физическая сущность данного способа и устройства для его осуществления заключается в переводе вещества, обладающего флегматизирующим или ингибирующим действием на процессы горения, в новое агрегатное состояние - сверхкритичный флюид (СКФ), который по своим физическим свойствам не может быть отнесен к ранее известным агрегатным состояниям (твердое, жидкое, газообразное, плазма), т.к. вышеуказанный флюид, имея физическую плотность, сравнимую с жидкостью, обладает текучестью и мембранной проницаемостью, идентичной газам. При этом СКФ обладают исключительной растворяющей способностью, намного превосходящей органические растворители.
Эти свойства СКФ широко используют на Западе в промышленно развитых странах в различных отраслях промышленности и хозяйства, как-то - при химчистке одежды и материалов, растворении полимеров, органических и неорганических солей, например, хлоридов, бромидов, йодидов металлов, при импрегнации полимеров, для экстракции лекарственных и пищевых веществ из растительных материалов. При выводе растворов СКФ из критического состояния, т.е. при уменьшении температуры и давления ниже критических растворитель (СКФ) переходит в газообразное состояние, а растворенное или экстрагированное вещество трансформируется в аэрозоль, так называемого конденсационного типа с субмикронными и микронными размерами частиц. Наиболее распространенным для этих целей (более 90% от всех СКФ) является диоксид углерода СO2, являющийся наиболее дешевым, экономически чистым и эффективным флюидом. Вода также может быть переведена в СКФ, но для этого требуются очень высокие давления (220 атм) и температуры (≥340°С), что энергетически невыгодно, особенно, по сравнению с диоксидом углерода (Ткр=31.05°С, Ркр=72.8 атм).
В патентных материалах, Интернете, научно-технической литературе ссылки на применение СКФ для тушения пожаров нами найдены не были.
Вышесказанное дает основание считать предложенный способ и устройство обладающими изобретательским уровнем.
Предлагаемое устройство для осуществления способа газодисперсного тушения иллюстрируется графическим изображением, представленным на чертеже.
Устройство содержит газовый баллон 5 с соплом 1 и запорно-пусковым устройством 2 с впрессованным в корпус сифона 3 слоеным пыжом-«эластичный пироэлемент/металлическая фольга» с узлом электропуска 4, а также сжиженный газовый флегматизатор 6 с размещенной в нем реакционной камерой 7, снаряженной термохимическим зарядом 8, с пиропатроном 9, с узлом электропуска 10, а также выпускной клапан 12, обеспечивающий проход продуктов реакции ТХЗ 8 из реакционной камеры 7 через демпферную камеру 13 и впускной клапан 11 в полость газового баллона 5 со сжиженным газовым флегматизатором и/или ингибитором горения 6.
Предлагаемое устройство для осуществления способа газодисперсного пожаротушения работает следующим образом. При подаче электрического импульса на узел электропуска пиропатрона 9 и узел электропуска и пыжа 4 одновременно воспламеняют эластичный пироэлемент пыжа и пиропатрон 9, который возбуждает химическую реакцию ТХЗ 8. При горении ТХЗ 8 продукты горения через выпускной клапан 12 перетекают в демпферную камеру 13, откуда при достижении в ней давления, превышающего давление насыщенных паров сжиженного флегматизатора и/или ингибитора 6 в полости газового баллона 5, через выпускной клапан или клапаны 11 барботируются в среде сжиженного газа 6, переводя его в сверхкритическое состояние, или в сверхкритический флюид.
При этом параллельно с горением ТХЗ происходит сгорание эластичного пироэлемента слоеного пыжа, а тепло, выделившееся при сгорании эластичного пироэлемента, расплавляет металлическую, например, фольгу, открывая выход для образованного СКФ через ЗПУ и сопло в зону пожара.
Согласно изобретению для испытаний было выполнено устройство на базе однолитрового газового баллона. Схема устройства приведена на чертеже.
Масса сжиженного флегматизатора диоксида углерода была взята 0.7 кг. В качестве ТХЗ использовали ДРП с теплотой горения 2.76 кДж/г.
Массу ДРП считают по формуле (1) для диапазона температур эксплуатации (-50°С)-(+50°):
Теплоемкость жидкого СO2 равняется Ср = 2.75 кДж/кг•град
«Слоеный» пыж в ЗПУ состоял из спрессованного эластичного пиронагревателя тока ЭПТ и алюминиевой фольги S=0.3 мм.
Испытания проводили в трубе ⌀=1.13 м и длиной 10 м; Vтр=10 м3.
Торцы трубы с обеих сторон до половины диаметра закрыты фланцами. В камеру наливали 466 л воды и сверху 233 л бензина АИ-80.
С одного торца камеры устанавливали 1-литровый модуль согласно изобретению, а с противоположного - электронный фоторегистратор.
Одновременно с поджигом паров бензина в камере подавали напряжение на модуль и фоторегистратор. Через 0.021 с на противоположном от модуля конце трубы было зарегистрировано облако аэрозоля и очаг был потушен. Тушение бензина проводили также через 15 с после его поджига. Тушение очага происходило через 0.025 с.
Таким образом, скорость распространения газодисперсной струи составила 435-476 м/с, огнетушащая концентрация составила:
Заявляемый способ и устройство превосходят прототип по скорости потока в ≈3.6 раза, по объемной огнетушащей концентрации в
При этом достигается новый эффект - подавление дефлаграционного горения.
Список использованных источников
1. Патент РФ №2036674, опубликованный 09.06.95 г., «Способ получения огнетушащей струи».
2. Заявка РФ №95105555, опубликованная 20.11.96 г., «Способ тушения пожаров».
3. Патент РФ №2083243, опубликованный 10.07.97 г., «Способ тушения пожаров».
4. Заявка РФ №2005125096, опубликованная 20.02.07 г., «Способ и устройство для тушения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ ГЖ) в резервуарах».
5. Патент РФ №2241508, опубликованный 10.12.04 г., «Способ тушения пожара в резервуарах».
6. Патент РФ №2258549, опубликованный 20.08.05 г., «Способ тушения пожара в резервуаре и устройство для его осуществления».
7. Патент РФ №2243014, опубликованный 27.12.2004 г., «Способ тушения лесных пожаров».
8. Патент РФ №2135236, опубликованный 27.08.99 г., «Способ объемного тушения пожара и устройство для его осуществления».
9. Патент РФ №2134604, опубликованный 20.08.99 г., «Способ тушения пожара и состав для его осуществления».
10. Патент РФ №2115450, опубликованный 20.07.98 г., «Способ объемного тушения пожара и устройство для его осуществления».
11. Заявка № PCT/RU 2006/000167, опубликованная под № WO 2007/117168 А1, 18.10.2007 г. с приоритетом от 22.06.04 г.
1. Способ газодисперсного тушения легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов и подавления дефлаграционного горения газопылевых и газовоздушных смесей путем подачи газодисперсного потока огнетушащего вещества из модульного устройства в зону пожара, отличающийся тем, что ингибирующую дисперсную фазу с ювенильной поверхностью и флегматизирующую дисперсионную среду вышеуказанного газодисперсного потока формируют из сверхкритического флюида, образованного следующими действиями:
инициируют с помощью пиропатрона с электропуском экзотермический процесс в термохимическом заряде, размещенном в реакционной камере, соединенной через выпускной клапан и демпферную камеру и впускной клапан с внутренней полостью газового баллона со сжиженным флегматизатором и/или ингибитором горения;
открывают выпускной клапан реакционной камеры и организуют истечение продуктов реакции термохимического заряда в демпферную камеру;
по достижении давления в демпферной камере, превышающего давление насыщенных паров сжиженного газа в газовом баллоне, открывают впускной клапан на баллоне и организуют барботаж продуктов реакции термохимического заряда через газовый сжиженный флегматизатор и/или ингибитор горения до достижения сверхкритических значений давлений и температуры, необходимых для перевода образованной смеси огнетушащих веществ в сверхкритический флюид;
параллельно с инициированием термохимического заряда инициируют пироэлемент на запорно-пусковом устройстве;
открывают вышеназванное запорно-пусковое устройство, через сопло или сопла организуют истечение газодисперсного потока огнетушащего вещества со сверхкритической скоростью в зону пожара.
2. Способ газодисперсного тушения по п.1, отличающийся тем, что в качестве газового сжиженного флегматизатора горения используют диоксид углерода, или шестифтористую серу, или элегаз, или фторхладоны, а в качестве газовых сжиженных ингибиторов - бром- или йодхладоны.
3. Устройство для тушения легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов, подавления дефлаграционного горения газопылевых и газовоздушных смесей, содержащее газовый баллон с соплом, запорно-пусковым устройством и с зарядом газового сжиженного флегматизатора и/или ингибитора, а также размещенной внутри этого баллона реакционной камерой, снаряженной термохимическим зарядом и пиропатроном с узлом электропуска, подключенным к системе пожарной сигнализации для принудительного инициирования термохимического заряда, причем для прохода продуктов реакции реакционная камера через ее выпускной клапан, демпферную камеру и впускной клапан соединена с внутренней полостью баллона со сжиженным газом, отличающееся тем, что запорно-пусковое устройство на газовом баллоне выполнено в виде, как минимум, двухслойного пыжа, впрессованного в корпус сифона, причем нижняя часть пыжа, соприкасающаяся с содержимым газового баллона, выполнена из термоплавкой фольги или пластины, а верхняя наружная часть пыжа выполнена из эластичного пироэлемента с электровоспламенителем, скоммутированным с узлом электропуска пиропатрона, при соотношении масс термохимического заряда и сжиженного газа:
где МТХЗ - масса термохимического заряда, кг;
Qреак - теплота реакции, кДж/кг;
Мсж.газа - масса сжиженного газа, кг;
Ср - теплоемкость сжиженного газа, кДж/кг·градК;
Ткр - критическая температура для взятого вещества, град К;
Tmin - минимально допустимая температура эксплуатации устройства, град К.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что термохимический заряд выполнен из дымного, или пироксилинового, или баллистидного пороха, или смесевого твердого топлива, или из пиротехнического состава, или из промышленного взрывчатого вещества, или из смеси вышеназванных компонентов.
