СПОСОБ ОБЪЕМНОГО ТУШЕНИЯ ПОЖАРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК A62C19/00 

Изобретение относится к пожаротушению, а именно к способам и устройствам, предназначенным для объемного тушения пожаров, т.е. пожаров в закрытых помещениях, например в производственных и складских помещениях, на транспорте, в частности на морских и речных судах, на воздушном транспорте.

В настоящее время известно значительное число способов объемного тушения пожаров, заключающихся в создании в защищаемом объеме среды, не поддерживающей горение, путем введения в защищаемое помещение в требуемых количествах специального огнетушащего вещества. При этом эффективность тушения во многом определяется свойствами используемого вещества и временем, за которое во всем защищаемом объеме создается необходимая для тушения огня концентрация этого вещества.

В настоящее время наибольшее распространение получили такие огнетушащие вещества, как хладоны, углекислый газ, азот, специальные порошки.

Для уменьшения времени выравнивания концентрации этих огнетушащих веществ в защищаемом объеме используются различные приемы, в частности регулируются режимы их распыления в помещениях с помощью специальных приспособлений, используемых для подачи этих веществ.

Известны, например, способ и устройство (авт. св. N 1219099, кл. A 62 C 35/00, 1984), согласно которым огнетушащий состав подается в защищаемый объем с разных сторон, причем для повышения эффективности тушения струям огнетушащего вещества придают плоскую форму и подачу осуществляют с первоначальным смещением угла подачи струи на 90^o во взаимно перпендикулярных плоскостях с последующим поворотом каждой струи на 90^o внутри объема с одинаковой угловой скоростью.

В ряде случаев повышение эффективности объемного тушения достигается путем использования для тушения смеси двух компонентов. В частности, в способе (патент ГДР N 263652, кл. A 62 C 35/00) используют смесь галона 2402 и диоксида углерода, которые предварительно накапливаются в напорной емкости и с большим давлением ускорения подают в виде свободных струй аэрозоля. В способе (заявке EP N 031435, кл. A 62 C 35/00, 1989), смесь газа с жидкостью подают в защищаемый объем с помощью форсунки.

Известны также технические решения, в которых для ускорения выравнивания концентрации огнетушащего вещества в защищаемом объеме применяются дополнительные операции, например, частицы огнетушащего вещества перед распылением электризуют (авт. св. N 1416135, кл. A 62 C 35/00, 1989).

Все вышеперечисленные способы и устройства имеют тот недостаток, что требуются дополнительные операции и приспособления для предварительной подготовки огнетушащих веществ (накопление, смешение, электризация и прочие) и создания специальных условий их распыления в защищаемых помещениях с помощью, например, поворотных устройств, напорных емкостей, форсунок и прочих приспособлений. Это приводит к сравнительно невысокой надежности устройств, используемых для объемного тушения.

Кроме того, такие огнетушащие вещества как хладоны опасны для экологии, поскольку оказывают озоноразрушающее действие.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ объемного тушения пожара аэрозолем, генерируемым в защищаемом помещении во время пожара путем сжигания твердого заряда в камере сгорания, имеющей отверстие, через которое аэрозоль вытекает в защищаемое помещение.

Устройство, реализующее указанный способ, содержит камеру сгорания с размещенным в ней твердым зарядом и имеющую на боковой и одной из торцевых стенках камеры ряд отверстий для вытекания из нее аэрозоля, генерируемого при горении заряда (авт. св. СССР N 1592000, кл. A 62 C 19/00, 1990).

При пожаре в защищаемом помещении твердый заряд поджигают с помощью воспламенительного узла. В процессе горения заряда генерируется газоаэрозольная смесь (инертные газы и ультрадисперсные аэрозольные частицы), которые через отверстия в камере вытекает наружу, в защищаемое помещение. Тушение пожара происходит как за счет уменьшения содержания кислорода в объеме при разбавлении инертными газами, так и за счет прерывания цепных реакций в пламени ультрадисперсными твердыми частицами, обладающими высокими ингибирующими свойствами.

Исследования показали, что аэрозоли, генерируемые при сжигании твердого заряда, имеют более высокую огнетушащую эффективность по сравнению со всеми известными веществами объемного пожаротушения. Кроме того у указанных аэрозолей озоноразрушающий эффект отсутствует.

Устройство, реализующее этот способ объемного тушения пожара, очень простое и, следовательно, имеет большую надежность.

Однако эффективность тушения пожара указанным способом и реализующим его устройством сравнительно невысока. В основном это обусловлено тем, что горение заряда в камере сгорания происходит практически при том же давлении, что и давление в окружающей камеру среде. В результате изменения давления окружающей среды (вследствие пожара или других причин) будут влиять на стабильность процесса генерирования аэрозоля и процесса его истечения в защищаемое помещение, что снижает эффективность пожаротушения. Указанное давление в камере сгорания обуславливает также низкие скорости истечения образующегося аэрозоля наружу - в защищаемое помещение. Следовательно, требуется достаточно длительное время для создания необходимой для тушения огня концентрации аэрозоля во всем объеме защищаемого помещения, поскольку выравнивание концентрации аэрозоля по всему объему осуществляется свободной конвекцией. При этом увеличивается расход вещества заряда, затрачиваемого на тушение пожара. Кроме того, за время свободной конвекции может быть утрачена ингибирующая активность некоторых твердых частиц, которая ограничена по времени.

Задача изобретения - создание способа объемного тушения пожара и устройства, его реализующего, в которых в камере сгорания в процессе горения заряда были бы созданы такие условия, при которых повышается стабильность процесса генерирования и его истечения наружу, а также повышается скорость истечения аэрозоля и тем самым повысить эффективность пожаротушения.

Задача решается тем, что в способе объемного тушения пожара аэрозолем, генерируемым в защищаемом помещении во время пожара путем сжигания твердого заряда в камере сгорания, имеющей отверстие, через которое аэрозоль вытекает из камеры в защищаемое помещение, согласно изобретению в процессе горения твердого заряда в камере сгорания поддерживается давление согласно следующему соотношению:
,
где
ρ_т - плотность твердого заряда, кг/м³;
K - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/(кг K);
T₀ - температура продуктов сгорания твердого заряда, K;
;
P₀ - давление внутри камеры, H/м²;
P_h - давление в защищаемом объеме, H/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости линейной скорости горения твердого заряда от давления и начальной температуры заряда;
S - площадь поверхности горения заряда, м²;
F - площадь минимального сечения отверстия камеры, м².

При поддержании в камере в процессе горения в ней заряда давления согласно указанному соотношению создается по меньшей мере критический перепад давлений между минимальным сечением отверстия камеры и окружающей средой. В результате никакие возмущения газовой среды в защищаемом объеме не могут проникнуть внутрь камеры сгорания, что обеспечивает стабильность процесса генерирования аэрозоля и стабильность характеристик потока аэрозоля: давление, скорость, секундный расход (Федосьев В.Н. Основы техники ракетного полета. М. : Наука, 1979, с. 180). Стабильность процесса генерирования аэрозоля в камере сгорания и стабильность истечения его потока приводят к повышению эффективности пожаротушения и сокращению расхода огнетушащего вещества.

При этом критическом перепаде давлений скорость вытекающего из камеры сгорания аэрозоля достигает критической величины, равной местной скорости звука. Увеличение скорости струи аэрозоля уменьшает время, необходимое для создания требуемой для пожаротушения концентрации аэрозоля во всем защищаемом объеме, и уменьшает расход вещества заряда, затрачиваемого на тушение пожара.

Кроме того, увеличение скорости распределения аэрозоля в окружающем объеме снижает вероятность потери ингибирующей активности отдельных твердых частиц аэрозоля.

Требуемое давление в камере сгорания может быть обеспечено различными путями, например подбором размеров минимального сечения отверстия. Указанное давление может быть обеспечено также регулированием скорости горения заряда, изменением начальной температуры заряда.

При этом целесообразно, чтобы аэрозоль в защищаемое помещение подавался со скоростью истечения выше критической для газовой фазы аэрозоля.

Увеличение скорости истечения аэрозоля до сверхзвуковых значений еще улучшает условия распределения аэрозоля в защищаемом объеме. При этом если начальная скорость струи превышает скорость звука, то падение скорости вдоль оси струи становится менее резким по сравнению с дозвуковыми струями. В результате увеличивается дальнобойность струи. Распределение аэрозоля в защищаемом объеме улучшается, во-первых, за счет повышения дальнобойности струи и, во-вторых, увеличение критической энергии струи способствует лучшему перемешиванию аэрозоля за счет взаимодействия струи с поверхностями, ограничивающими защищаемый объем.

Задача изобретения решается также тем, что в устройстве для объемного тушения пожара, содержащем камеру сгорания с размещенным в ней твердым зарядом и имеющую по меньшей мере одно отверстие для вытекания из нее аэрозоля, согласно изобретению суммарная площадь минимальных сечений всех отверстий определена соотношением

где
ρ_т - плотность твердого заряда, кг/м³;
K - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/(кг K);
T₀ - температура продуктов сгорания твердого заряда, K;
;
P_h - давление в защищаемом объеме, H/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости от линейной скорости горения твердого заряда от давления и начальной температуры заряда;
S - площадь поверхности горения заряда, м²;
F_кр - суммарная площадь минимальных сечений всех отверстий камеры, м².

Выполнение в камере сгорания отверстия для вытекания аэрозоля с указанной площадью его минимального сечения обеспечивает в камере сгорания давление, при котором создается по меньшей мере критический перепад давлений между минимальным сечением отверстия камеры и окружающей средой. При этом не требуется специальных приспособлений для создания высокой скорости истечения аэрозоля, что обеспечивает достаточно высокую надежность такого устройства.

В случае выполнения камеры с несколькими отверстиями, суммарная площадь минимальных сечений всех отверстий определяется вышеуказанным соотношением.

При этом целесообразно, чтобы по меньшей мере у одного отверстия со стороны от минимального сечения, обращенного внутрь камеры, был выполнен канал, сужающийся по ходу течения аэрозоля, и с противоположной стороны - расширяющийся по ходу течения аэрозоля канал, для образования сопла Лаваля.

Наличие сопла Лаваля обеспечивает сверхзвуковую скорость истечения аэрозоля из камеры сгорания.

Указанные преимущества, а также особенности предлагаемого изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенного ниже подробного описания лучшего варианта осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - устройство для объемного тушения пожара, согласно изобретению, продольный разрез;
фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Поскольку предлагаемый способ в основном реализуется при работе устройства, описание способа приведено при описании работы устройства.

Способ осуществляется следующим образом.

В защищаемом помещении стационарно устанавливаются устройства для объемного тушения пожара. Количество устройств и их размещение определяется известным способом, исходя из необходимой концентрации огнетушащего аэрозоля в защищенном объеме.

Устройство для объемного тушения пожара содержит камеру сгорания 1 (фиг. 1), в которой размещен заряд 2, переднюю крышку 3 с воспламенительным узлом 4, удерживающую решетку 5 и заднюю крышку 6 с отверстием 7 для вытекания аэрозоля. Выполнение элементов устройства и их компоновка осуществляется известным образом, например, как в прототипе. Твердый заряд 2 состоит из трех шашек 2а (фиг. 2), выполненных, как и в известных аналогичных устройствах, методом глухого прессования из смесей на основе нитратов щелочных металлов и связующего, например, нитрата калия и эпоксидной смолы. На фиг. 1 изображен вариант устройства, в котором камера сгорания 1 имеет одно отверстие 7 для вытекания аэрозоля.

Площадь минимального сечения отверстия 7 определяется, исходя из соотношения
,
где
ρ_т - плотность твердого заряда, кг/м³;
K - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/(кг K);
T₀ - температура продуктов сгорания твердого заряда, K;
;
P_h - давление в защищаемом объеме, H/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости линейной скорости горения твердого заряда от давления и начальной температуры заряда 2;
S - площадь поверхности горения заряда 2, м²;
F_кр - площадь минимального сечения отверстия 7 камеры 1, м².

Конкретный размер отверстия 7 в указанном пределе определяется известным образом, исходя из требуемых расходных характеристик используемого устройства (массы аэрозоля, подаваемого в единицу времени), массогабаритных характеристик камеры сгорания 1 и из соображений исключения закупорки отверстия 7 шлаками, образующимися в процессе горения заряда и разложения теплозащитного покрытия камеры 1. Форма твердого заряда 2, в частности поверхность его горения, выбирается (как показано на фиг. 1) так, чтобы в течение всего времени горения твердого заряда 2 при выбранном значении площади минимального сечения отверстия 7 поддерживался по меньшей мере критический перепад давлений между указанным сечением отверстия камеры 1 и окружающей средой. Возможно выполнение устройства, в котором камера сгорания 1 имеет несколько отверстий 7, при этом суммарная площадь минимальных сечений отверстий определяется вышеуказанным соотношением (1) и все отверстия 7 выполняются, например, одинаковыми. Количество отверстий 7 и их расположение определяется известным образом, исходя из соображений требуемых расходных характеристик используемого устройства и направлением подачи струи аэрозоля, например в зоны наиболее вероятного возникновения пожара. По меньшей мере у одного отверстия 7 со стороны от минимального сечения, обращенной внутрь камеры 1, выполнен сужающийся по ходу течения аэрозоля канал 8а, а с противоположной стороны - расширяющийся по ходу течения аэрозоля канал 8b, для образования сопла Лаваля 8. При этом площадь минимального сечения сопла Лаваля 8 определяется в соответствии с вышеприведенным соотношением. Характеристики сопла Лаваля, в частности степень расширения, выбираются известным образом, исходя из требуемой скорости истечения потока аэрозоля из камеры 1 наружу. В случае выполнения камеры сгорания 1 с несколькими отверстиями 7 сопло Лаваля 8 может быть использовано как для каждого отверстия, так и для отдельных отверстий.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала о пожаре на воспламенительный узел 4 последний срабатывает и зажигает твердый заряд 2. В процессе горения заряда 2 генерируется огнетушащий аэрозоль, состоящий из инертных газов и ультрадисперсных твердых частиц, обладающих ингибирующими свойствами. Аэрозоль через отверстие 7 вытекает наружу - в защищаемое помещение. В камере сгорания 1 в процессе горения заряда поддерживается давление, исходя из следующего соотношения:
,
где
ρ_т - плотность твердого заряда, кг/м³;
K - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/(кг K);
T₀ - температура продуктов сгорания твердого заряда, K;
,
P₀ - давление внутри камеры 1, H/м²;
P_h - давление в защищаемом объеме, H/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости линейной скорости горения твердого заряда 2 от давления и начальной температуры заряда 2;
S - площадь поверхности горения заряда 2, м²;
F - площадь минимального сечения отверстия 7 камеры 1, м².

При таком давлении в камере сгорания 1 создается по меньшей мере критический перепад давлений между минимальным (критическим) сечением отверстия 7 и окружающей средой. Давление внутри камеры сгорания 1 в указанном пределе определяется массогабаритными характеристиками устройства и расходными характеристиками, требуемыми из условий тушения пожара. Благодаря тому, что отверстие 7 имеет площадь, рассчитанную по соотношению (1), в камере сгорания 1 поддерживается заданное давление, обеспечивающее по меньшей мере критический перепад давлений между критическим сечением отверстия 7 и окружающей средой. При этом никакие возмущения газовой среды в защищаемом объеме не могут проникнуть внутрь камеры сгорания 1, что обеспечивает стабильность процесса горения заряда и генерирования аэрозоля и стабильность характеристик потока аэрозоля: давление, скорость, секундный расход. Изменение давления окружающей среды, в частности его повышение, возможно, как вследствие образования газообразных продуктов горения, так и вследствие истечения аэрозоля в защищаемый объем, а также ввиду других причин, сопровождающих развитие аварийных ситуаций. При критическом перепаде давлений между критическим сечением отверстия 7 и окружающей средой скорость вытекающего из камеры сгорания 1 через сопло Лаваля потока аэрозоля является выше критической для газовой фазы аэрозоля. При этом по сравнению с известным устройством-прототипом, улучшаются условия распределения аэрозоля в защищаемом объеме, в результате уменьшается время, необходимое для создания требуемой для пожаротушения концентрации аэрозоля во всем объеме, уменьшается расход вещества заряда, затрачиваемого на тушение.

При этом возможны варианты выполнения устройства, обеспечивающие в процессе горения заряда требуемое давление в камере сгорания 1, например, с помощью специальных устройств, регулирующих скорость горения заряда, изменяющих начальную температуру заряда.

Кроме того, сверхзвуковая скорость истечения аэрозоля из камеры сгорания 1 может быть обеспечена не только с помощью сопла Лаваля, реализующего геометрический способ воздействия на поток, но и с помощью других способов, например путем подвода и отвода массы или тепла к потоку аэрозоля (массовое сопло, тепловое сопло).

Испытания устройства показали, что тушение пожара во всех точках защищаемого объема происходит за время, примерно равное времени работы используемого для тушения пожара устройства. При этом величина удельного расхода вещества заряда, затраченного на тушение пожара, близка к значениям, определенным для данного класса веществ в лабораторных условиях при принудительном перемешивании аэрозоля вспомогательными средствами. Это свидетельствует о равномерном распределении аэрозоля в защищаемом объеме.

Предлагаемый способ объемного тушения пожара и устройство для его осуществления достаточно просты, при этом устройство и технологично, и не имеет сложных элементов с низкой надежностью, что обеспечивает высокую надежность реализации способа.

Использование: противопожарная техника. Сущность изобретения: предлагаются способ и устройство объемного тушения пожара аэрозолем, генерируемым в защищаемом помещении во время тушения пожара путем сжигания твердого заряда 2 в камере сгорания 1, имеющей отверстие 7, через которое аэрозоль вытекает из камеры 1 в защищаемое помещение. Для повышения стабильности процесса генерирования аэрозоля и его истечения наружу, а также повышения скорости его истечения в камере сгорания 1 в процессе горения заряда 2 поддерживает давление, при котором обеспечивается по меньшей мере критический перепад давлений между минимальным сечением отверстия 7 камеры 1 и окружающей средой. Указанное давление в камере сгорания 1 обеспечивается путем выполнения отверстия 7 с площадью его минимального сечения, определенной согласно соотношению

где ρ_t - плотность твердого заряда, кг/м³;
К - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/(кг К),
Т_o - температура продуктов сгорания твердого заряда, К;

P_H - давление в защищаемом объеме, Н/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости линейной скорости горения твердого заряда от давления и начальной температуры заряда;
S - площадь поверхности горения заряда, м²;
F_кр - площадь минимального сечения отверстия камеры, м². 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ объемного тушения пожара аэрозолем, генерируемым в защищаемом помещении во время пожара путем сжигания твердого заряда в камере сгорания, имеющей отверстие, через которое аэрозоль вытекает из камеры в защищаемое помещение, отличающийся тем, что в процессе горения твердого заряда в камере сгорания поддерживают давление согласно следующему соотношению:

где ρ_т - плотность твердого заряда, кг/м³;
К - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/кгК;
Т₀ - температура продуктов сгорания твердого заряда, К;

Р₀ - давление внутри камеры, Н/м²;
Р_н - давление в защищаемом объеме, Н/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости линейной скорости горения твердого заряда от давления и начальной температуры заряда;
S - площадь поверхности горения заряда, м²;
F - площадь минимального сечения отверстия камеры, м². 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аэрозоль в защищаемое помещение подают со скоростью истечения выше критической для газовой фазы аэрозоля. 3. Устройство для объемного тушения пожара, содержащее камеру сгорания с размещенным в ней твердым зарядом, отличающееся тем, что камера имеет по меньшей мере одно отверстие, причем суммарную площадь минимальных сечений всех отверстий определяют соотношением

где ρ_т - плотность твердого заряда, кг/м³;
К - показатель адиабаты;
R - газовая постоянная, Дж/кгК;
Т₀ - температура продуктов сгорания твердого заряда, К;

Р_н - давление в защищаемом объеме, Н/м²;
b,ν - эмпирические константы в зависимости линейной скорости горения твердого заряда от давления и начальной температуры заряда;
S - площадь поверхности горения заряда, м²;
F_к р - суммарная площадь минимальных сечений всех отверстий камеры, м²;
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что по меньшей мере одно отверстие выполнено в виде сопла Лаваля.