СПОСОБ БОРЬБЫ С ПОЖАРАМИ Российский патент 1997 года по МПК A62C2/00 

Изобретение относится к противопожарной технике, в том числе служит для подавления подземных пожаров и самонагреваний в шахтах и рудниках.

Известен способ борьбы с пожарами, включающий подачу в зону горения инертного газа (см. а. с. 1588837, кл. E 21 F 5/00).

Недостатком способа является низкий теплосъем от очага пожара и зон повышенной температуры.

Наиболее близким техническим решением является способ борьбы с пожарами, включающий подачу в зону горения замороженной жидкости, полученной при смешивании с жидким газом (а. с. 1718981 кл. A 62 C 5/00, а. с. 17114159, кл. E 21 F 5/00).

Данный способ позволяет повысить теплосъем с очагов пожара за счет дополнительных потерь тепла на перевод частиц из твердого в жидкое состояние. Однако его недостатком является потребность в дорогостоящем и дефицитном сжиженном газе, сложном и дорогом оборудовании для его хранения и выдачи, а также низкая эффективность из-за небольшой дальности транспортирования образованной смеси.

Целью изобретения является расширение области применения способа, снижение стоимости и повышение эффективности работ при борьбе с пожарами.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу борьбы с пожарами, включающему подачу в зону обработки замерзшей жидкости, жидкость распыляют и замораживают в потоке охлаждающегося при расширении газа. Дополнительным отличием является предварительное испарение жидкости и подача в газ пара или смеси пара и жидкости. Расширение газа осуществляют в сопле, например сопле Лаваля, а пар, жидкость или их смесь вводят в поток газа в наиболее суженной части пола. Ведут контроль за температурой образующейся при расширении газа смеси и поддерживают ее ниже значения, при котором замерзают жидкость и конденсат. Контролируют и регулируют перепад давления газа при расширении. При подаче в газ жидкости перепад давления газа устанавливают по формуле:

где P_н начальное давление газа, Па; P_к давление газа после расширения, Па; G_ж -расход жидкости, кг/с; G_г расход газа, кг/с; Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг; C_ж - теплоемкость жидкости, Дж/(кг•К); C_г теплоемкость газа, Дж/(кг•К); T_зж температура замерзания жидкости, К; T_н - начальная температура газа, К; T_ж температура вводимой жидкости, К; K показатель адиабаты.

Перепад давления расширяющегося газа при подаче в него пара устанавливают по формуле:

где G_п расход пара, кг/с; C_п теплоемкость пара, Дж/(кг•К); C_кп теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/(кг•К); Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг; Q_зкп - теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг; T_п температура пара, К; T_кп температура конденсации пара, К; T_зкп температура замерзания сконденсировавшейся жидкости, К.

Перепад давления расширяющегося при подаче в него смеси пара и жидкости устанавливают по формуле:

где T_з температура замерзания жидкости и сконденсировавшегося пара, К.

Дополнительным отличием является контроль и регулирование температуры подаваемого газа. В случае подачи в газ жидкости, температуру его устанавливают по уравнению:

При подаче в газ пара начальную температуру газа устанавливают по формуле:

Начальную температуру газа при подаче в него смеси пара и жидкости устанавливают по формуле:

Отличием является также контроль и регулирование соотношения расхода вводимого компонента и газа. В случае ввода в газ жидкости соотношение расхода жидкости и газа устанавливают по формуле:

Соотношение расхода пара и газа устанавливают по формуле:

В качестве газа может использоваться инертный газ, воздух или их смесь с содержанием кислорода ниже значения, поддерживающего процесс самовозгорания и горения. В качестве жидкости используют воду, составы антипирогена и/или/ хладагента, а также жидкий углекислый газ. В качестве пара можно использовать водяной пар. Дополнительно в образующуюся смесь вводят твердое вещество в виде порошка, взаимодействующего с жидкостью с поглощением теплоты и/или образованием антипирогенного состава.

Замораживание жидкости возможно газом, температура которого снижается в процессе адиабатического расширения. В ходе такого расширения измерение параметров газа происходит по формуле:

где T_к конечная температура газа, К; T_н начальная температура газа, К; P_к конечное давление газа после расширения, Па; P_н давление пара перед расширением, Па; K показатель адиабаты.

Для определения конечной температуры расширяющегося газа, необходимой для замораживания вводимой в газ жидкости, можно воспользоваться теплового баланса:
G_тC_г(T_зж-T_к)≥G_жC_ж (T_ж-T_сж)+G_жQ_зж (10)
где G_г расход газа, кг/с; G_ж расход жидкости, кг/с; C_г теплоемкость газа, Дж/(кг•К); C_ж теплоемкость жидкости, Дж/(кг•К); Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг; T_ж температура замерзания жидкости, К; T_ж температура жидкости, К.

Преобразуя уравнение (10) и подставляя получаемое значение в (9), имеем следующее выражение для определения перепада давления, необходимого для замораживания жидкости расширяющимся газом:

Замораживание пара газом происходит при соблюдении условия
G_гC_г(T_зкп-T_к)≥G_п[C_п (T_п-T_кп)+C_кп(T_кп-T_зкп)+Q_кп+ Q_зкп] (12)
где G_п расход пара, кг/с; Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг; Q_зкп теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг; C_п теплоемкость пара, Дж/(кг•К); C_кп теплоемкость сконденсировавшейся жидкости, Дж/(кг•К); T_п температура пара, К; T_кп температура конденсации пара, К; T_зкп температура замерзания сконденсировавшегося пара, К.

Преобразуя (12), получаем уравнение, описывающее температуру газа, необходимую для замораживания вводимого в него пара:

Подставляя (13) в (9) и преобразуя уравнение, получим выражение, описывающее перепад давления расширяющегося газа, обеспечивающий замораживание вводимого пара:

Замораживание смеси жидкости и пара при перемешивании с газом происходит при выполнении условия:
G_гC_г(T_з-T_к)≥G_пC_п (T_п-T_кп)+G_пC_кп(T_кп-T_з)+G_п Q_кп+G_пQ_зкп+G_жC_ж(T_ж-T_з)+ G_жQ_зж, (15)
где T_з температура замораживания жидкости и пара, К.

Используя уравнение (15) для получения температуры газа, необходимой для замораживания смеси пара и жидкости (T_к), и подставляя его в (9) имеем выражения для определения необходимого перепада давления газа.

Использование уравнений (11), (14) и (16) позволяет замораживать вводимые в газ компоненты путем регулирования перепада давления расширяющегося газа в зависимости от его температуры, расхода и параметров вводимых веществ. Показатель адиабаты для двухатомных газов (воздух, азот и др.) равен 1,4. Для перегретого пара показатель адиабаты равен 1,3.

Сжатый газ намного проще и дешевле получить, чем сжиженный газ. Поэтому применение принципа замораживания жидкости в струе расширяющегося газа значительно расширит область применения данного способа борьбы с пожарами, удешевит и упростит его. Кроме того, повысится качество получаемой смеси из-за того, что происходит интенсивное перемешивание распыляемой жидкости в поток расширяющегося газа.

Наиболее эффективно температура газа снижается при адиабатическом расширении в сопле, например, сопле Лаваля. Для лучшего распыления вводимых компонентов целесообразно вводить их в наиболее суженную часть сопла. В этом случае вводимое вещество проходит весь путь расширения и лучше распыляется. Кроме того, в этом случае частицы набирают наибольшую скорость, что увеличивает дальность их транспортировки и эффективность тушения.

Подача и замораживание в газе пара позволяет существенно уменьшить размер замораживаемых частиц. Это приводит к лучшему проникновению таких частиц в различные трещины, поры и пр. а также увеличивает общую поверхность хладагента, что способствует повышению эффективности борьбы с пожарами. Использование смеси пара и жидкости позволит варьировать в широких пределах содержание замороженных частиц в газе и их размеры, что приведет к повышению охлаждающего и профилактического действия обработки. Одним из способов поддержания непрерывного замораживания вводимых частиц является контроль за температурой образующейся смеси и поддержание ее ниже значения, при котором замерзает жидкость и сконденсировавшаяся из пара жидкость.

В некоторых случаях, когда невозможно создать необходимый перепад давления, целесообразно осуществлять контроль и регулировку температуры подаваемого газа. Для получения выражения, описывающего требуемую температуру газа при вводе в него жидкости используемом уравнение (9), подставляя в него вместо T_к значение, получаемое из формулы (10). В результате получим уравнение (4), позволяющее определить температуру газа при заданном перепаде давления, необходимую для замораживания вводимой жидкости. Аналогично получаем уравнения (5) и (6), позволяющие определить температуру подаваемого газа для замораживания пара и смеси с жидкостью, используя формулу (9) и соответственно (12) и (15).

В случае невозможности регулирования в требуемых интервалах перепада давления газа и его начальной температуры осуществляют контроль и регулировку соотношения расхода вводимого компонента и газа. Для определения формулы, описывающей соотношение расхода подаваемой жидкости и газа, используем уравнение (10)

Подставляя в (17) значение T_к, получаемое из (9), имеем выражение (7), позволяющее получить соотношение расхода исходных компонентов, обеспечивающее замораживание вводимой жидкости. Аналогично получаем уравнение (8), позволяющее заморозить пар, используя формулы (12) и (9).

В качестве газа можно использовать инертный газ, воздух или их смесь с концентрацией кислорода ниже значения поддерживающего процесс самовозгорания и горения.

В качестве жидкости можно использовать воду или состав антипирогена и/или хладагента. Если в качестве жидкости использовать углекислый газ, то, охлаждаясь и расширяясь, он образует твердую фазу, которая в очаге пожара испаряется, поглощая теплоту и создавая инертную среду. Водяной пар можно использовать в качестве вводимого в газ пара, что упрощает и удешевляет способ борьбы с пожарами.

Дополнительно в образующуюся смесь можно вводить твердое вещество в виде порошка, которое может взаимодействовать в жидкостью с поглощением теплоты и/или образованием антипирогенного состава. Это позволит повысить эффективность борьбы с пожарами за счет дополнительного теплосъема, увеличения дальности транспортирования смеси и роста антипирогенного действия.

При необходимости, например, подаче смеси в выработанное пространство шахт, жидкость, пар или их смесь целесообразно вводить в газ порциями периодически. В этом случае увеличивается дальность транспортирования замерзших частиц и дополнительное замораживание продуваемого массива за счет меньшей температуры газа.

Способ реализуется следующим образом.

Для подавления возникшего пожара или предупреждения самовозгорания окисляющегося материала устанавливают сопло, которое подключают к источнику сжатого газа (компрессору, емкости газа и др.). В поток расширяющегося в сопле газа разбрызгивают жидкость, пар или их смесь. Потенциальная энергия газа при расширении переходит в кинетическую, происходит его охлаждение и замораживание введенных компонентов. С большой скоростью частицы льда и газа вылетают из сопла и направляются в очаг пожара или место обработки. Жидкость можно подавать по патрубку из емкости или трубопровода, а пар получать в парогенераторе.

устанавливают сопло в наибольшей близости от очага или места обработки, а при невозможности этого образующиеся продукты подают к объекту обработки по трубопроводу. При необходимости в образовавшиеся в сопле продукты добавляют порошок, являющийся хладагентом и/или антипирогеном. В качестве жидкости также могут использоваться составы аналогичного действия.

В установке предусмотрены приборы для контроля за расходом компонентов, перепадом давления газа и температурой входящего газа и образуемой смеси. Установка имеет также регуляторы расхода компонентов. Для регулирования температуры подаваемого газа могут использоваться холодильники, теплообменники м пр. Перепад давления газа можно регулировать подбором компрессоров и др. Образующиеся частицы льда охлаждают горящие поверхности за счет поглощения тепла на таяние, нагревание и испарение жидкости или предотвращают самовозгорание за счет антипирогенного действия жидкости, порошка и инертизации атмосферы.

Применение предложенного способа позволит повысить эффективность борьбы с пожарами за счет возможности широкого его применения, (не требует криогенных жидкостей), увеличения дальности транспортирования смеси и снижения стоимости проводимых работ. Одновременно повышается безопасность работ за счет быстрого развертывания работ. Сокращается время тушения пожаров за счет возможности резко увеличить производительность подачи требуемой смеси.

Использование: в противопожарной технике. Сущность изобретения: способ борьбы с пожарами включает подачу в зону обработку замороженной жидкости, при этом жидкость распыляют и замораживают в потоке охлаждающегося при расширении газа. 26 з.п. ф-лы.

1. Способ борьбы с пожарами, включающий подачу в зону обработки замороженной жидкости, отличающийся тем, что жидкость распыляют и замораживают в потоке охлаждающегося при расширении газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость предварительно испаряют, а образующийся пар вводят в поток газа. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в пар предварительно распыляют жидкость и образующуюся смесь вводят в поток газа. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что ведут контроль за температурой образующейся при расширении газа смеси и поддерживают ее ниже значения, при котором замерзают жидкость и сконденсировавшаяся из пара жидкость. 5. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что расширение газа осуществляют в сопле, например сопле Лаваля. 6. Способ по пп.1,2,3,5, отличающийся тем, что жидкость, пар или их смесь вводят в поток газа в наиболее суженной части сопла. 7. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что осуществляют контроль и регулирование перепада давления газа при его расширении. 8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что регулирование перепада давления газа при подаче в него жидкости осуществляют по формуле

где P_н начальное давление газа, Па;
P_к давление газа после расширения, Па;
G_ж расход жидкости, кг/с;
G_г расход газа, кг/с;
Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг;
C_ж теплоемкость жидкости, Дж/(кг•К);
C_г теплоемкость газа, Дж/(кг•К);
T_зж температура замерзания жидкости, К;
T_н начальная температура газа, К;
T_ж температура вводимой жидкости, К;
K показатель адиабаты. 9. Способ по пп. 2 и 7, отличающийся тем, что регулирование перепада давления газа при подаче в него пара осуществляют по формуле

где G_п расход пара, кг/с;
C_п теплоемкость пара, Дж/(кг•К);
C_кп теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/(кг•К);
Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг;
Q_зкп теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг;
T_п температура пара, К;
T_кп температура конденсации пара, К;
T_зкп температура замерзания сконденсировавшейся жидкости, К. 10. Способ по пп. 3 и 7, отличающийся тем, что соотношение перепада давления газа при подаче в него смеси пара и жидкости устанавливают по уравнению

11. Способ по пп. 1 -3, отличающийся тем, что осуществляют контроль и регулирование температуры подаваемого газа. 12. Способ по пп.1 и 11, отличающийся тем, что температуру подаваемого газа при распылении в него жидкости устанавливают по соотношению

13. Способ по пп.2 и 11, отличающийся тем, что температуру подаваемого газа при распылении в него пара устанавливают по соотношению

14. Способ по пп.3 и 11, отличающийся тем, что температуру подаваемого газа при распылении в него пара и жидкости устанавливают по формуле

15. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осуществляют контроль и регулирование соотношения расхода вводимого компонента и газа. 16. Способ по пп. 1 и 15, отличающийся тем, что соотношение расхода вводимой жидкости и газа определяют по формуле

17. Способ по пп. 2 и 15, отличающийся тем, что соотношение вводимого пара и газа устанавливают по формуле

18. Способ по пп.1-17, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертный газ. 19. Способ по пп.1 17, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух. 20. Способ по пп.1 17, отличающийся тем, что в качестве газа используют смесь воздуха и инертного газа с концентрацией кислорода ниже значения, поддерживающего процессы самовозгорания и горения. 21. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду. 22. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют состав антипирогена и(или) хладагента. 23. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют углекислый газ. 24. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что в качестве пара используют водяной пар. 25. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что в образующуюся смесь дополнительно вводят твердое вещество в виде порошка. 26. Способ по пп.1 3, 25, отличающийся тем, что вводимый порошок взаимодействует с жидкостью с поглощением теплоты и(или) образованием антипирогенного состава. 27. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что жидкость, пар или их смесь вводят в охлаждающийся при расширении газ порциями периодически.