Взрывоподавляющее устройство Российский патент 2004 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к противопожарной технике и предназначено преимущественно для предотвращения взрывов и пожаров в начальной стадии их возникновения в сетях горных выработок и угольных шахтах. Кроме того, устройство может быть использовано в помещениях и на объектах, опасных по взрыву паро-газо-пылевоздушных смесей (нефтеперерабатывающих, газоперекачивающих, лакокрасочных, мукомольных и других предприятий).

Известно взрывоподавляющее устройство (ВПУ), включающее корпус, выполненный с глухой торцевой стенкой, на которой соосно с корпусом закреплен газогенератор с соплами и выходным отверстием на противоположном торце корпуса, а также ингибитор, размещенный в корпусе [1].

Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения стабильности и полноты выброса порошкового ингибитора из корпуса. Это обусловлено тем, что истечение пороховых газов, вырабатываемых в газогенераторе и выбрасывающих ингибитор из корпуса, происходит через патрубки, размещенные непосредственно в среде ингибитора, при этом выходные отверстия в патрубках расположены на разных уровнях относительно вертикальной и продольной осей корпуса. Известно, что все порошковые ингибиторы представляют собой легко уплотняемые системы, причем степень их уплотнения под действием собственного веса в эксплуатационных условиях может достигать 20%. Это неизбежно приводит к возникновению в верхней части корпуса пустоты или неуплотненного ингибитора. Продукты сгорания, образовавшиеся в газогенераторе, вытекают преимущественно по пути наименьшего сопротивления, то есть через отверстия в патрубках, расположенных в верхней части корпуса. Из-за неравномерного истечения газов по сечению часть ингибитора, находящаяся в нижней части корпуса, выбрасывается не полностью или со скоростью, недостаточной для доставки порошка в зону вспышки. Кроме того, между патрубками, а также в области между патрубками и торцевой стенкой образуются застойные зоны, характеризующиеся низкой степенью выброса ингибитора. Совместное действие этих факторов приводит к снижению эффективности работы устройства. Нестабильность и неполнота выброса ингибитора усугубляется закреплением патрубков на камере пониженного давления (успокоительная камера), что затрудняет прорыв пороховых газов в уплотненные слои ингибитора, расположенные в нижней части корпуса, изолированно от внешней среды.

Недостатки аналога [1] частично устранены в устройстве [2], взятом за прототип. Данное устройство включает корпус, выполненный с глухой торцевой стенкой, на которой соосно с корпусом закреплен газогенератор с соплами и выходным отверстием на противоположном торце корпуса, а также ингибитор, размещенный в корпусе.

Основным недостатком устройства [2], также как у аналога, является нестабильность и неполнота выброса порошкового ингибитора вследствие размещения патрубков, через которые вытекают пороховые газы, непосредственно в среде ингибитора.

Крепление патрубков к газогенератору, а не к успокоительной камере снижает возможность прорыва пороховых газов в нижней части корпуса, но вместе с тем увеличивает возможность более быстрого прорыва газов в верхнюю малоуплотненную часть порошкового ингибитора, что также может привести к нестабильности и к неполноте его выброса из камеры. Этому способствует, также как и у аналога, наличие застойных зон. Нестабильность и неполнота выброса ингибитора приводят к снижению эффективности действия устройства, а именно к уменьшению дальнобойности действия, к необходимости увеличения исходной массы ингибитора и образованию неравномерности распределения порошка по сечению выбрасываемой газопорошковой смеси. Кроме того, наличие компенсационной камеры не может полностью устранить образование свободного объема вследствие усадки порошка, так как растекание ингибитора по всей длине камеры в стационарных условиях затруднено. Для этого необходимо периодическое встряхивание ВПУ (по мере усадки ингибитора). К недостаткам прототипа можно отнести также ограниченную возможность его использования, так как он применяется преимущественно в тех случаях, когда необходимо расширить струю газопорошковой смеси непосредственно за выходным сечением камеры за счет разбивания ее распылителем, что также приводит к уменьшению дальнобойности.

В основу настоящего изобретения положена задача создания ВПУ повышенной эффективности действия при подавления очага воспламенения в начальной стадии его возникновения.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, выражается в повышении эффективности действия за счет увеличения дальнобойности, обеспечения полноты выброса ингибитора, создания более равномерного распределения порошка по сечению газопорошковой струи и уменьшения массы используемого ингибитора. В отдельных случаях, дополнительно к этому, может быть обеспечено регулирование дальнобойности действия без изменения габаритов ВПУ.

Это достигается тем, что в устройстве, включающем корпус, выполненный с глухой торцевой стенкой, на которой соосно с корпусом закреплен газогенератор с соплами, и выходным отверстием на противоположном конце корпуса, а также ингибитор, размещенный в корпусе, изолированно от внешней среды, согласно изобретению в корпусе установлены перпендикулярно его продольной оси передняя и задняя опорные решетки, корпус разделен на отсеки, причем отсек, где размещен газогенератор с соплами, отделен от отсека с ингибитором задней опорной решеткой, совмещенной с разрывной мембраной, а ингибитор размещен в отсеке корпуса между передней и задней опорными решетками.

В отдельных случаях предпочтительной может быть конструкция устройства с размещением ингибитора внутри вкладыша из легко разрушаемого материала, которым снабжен отсек для ингибитора, и изолирующим ингибитор от внешней среды. Данный вариант исполнения устройства предусматривает возможность использования ингибиторов в жидком состоянии, а также быстрого снаряжения камеры за счет использования заранее подготовленных порций ингибитора, в том числе порошкового.

В частном случае в конструкции устройства передняя опорная решетка дополнительно совмещена с разрывной мембраной, тогда полимерный вкладыш необязателен для порошкового ингибитора.

Совмещение передней опорной решетки с разрывной мембраной обеспечивает возможность изменения давления выброса ингибитора за счет варьирования толщины мембраны, а также герметичное его изолирование от внешней среды при использовании гигроскопических порошковых ингибиторов.

В соответствии с одним из вариантов выполнения, когда требуется разгонять ингибитор перед его выбросом в защищаемый объем до скорости, обеспечивающей требуемую дальнобойность (в частности, в зависимости от длины забоя), в устройстве передняя опорная решетка удалена от выходного отверстия на расстоянии L, при этом отношение длины отсека, примыкающего к выходному отверстию, к диаметру корпуса определяется уравнением:

где L - длина отсека, равная расстоянию от передней опорной решетки до выходного отверстия, см;

D - внутренний диаметр корпуса, см.

Для обеспечения возможности варьирования степени снижения (декомпрессии) давления выброса ингибитора по отношению к давлению, создаваемому в газогенераторе, отношение суммарной площади поперечных сечений сопел газогенератора к суммарной площади отверстий в задней опорной решетке определяется условием:

где Sc - суммарная площадь поперечных сечений сопел газогенератора, см²;

Sp - суммарная площадь поперечных сечений отверстий в задней опорной решетке, см.

В отдельных случаях предпочтительной может быть конструкция устройства с установкой передней и задней опорных решеток на противоположных торцах жесткой втулки, выполненной с возможностью ее перемещения внутри корпуса устройства. Такой вариант конструкции устройства обеспечивает возможность регулирования скорости выброса ингибитора из корпуса за счет изменения длины отсека, примыкающего к выходному отверстию (разгонной камеры), без изменения массогабаритных параметров корпуса и всего устройства.

В отдельных случаях в конструкции устройства задняя опорная решетка выполнена с возможностью перекрытия ее отверстий заглушками. Это позволяет изменить суммарную площадь поперечных сечений в опорной решетке, в том числе для компенсации последствия усадки ингибитора и предотвращения прорыва пороховых газов вдоль образовавшейся полости. Зная тип ингибитора, а следовательно, и величину его усадки, можно заранее заглушить необходимое количество отверстий в верхней части опорной решетки. Кроме того, заглушение части отверстий в задней решетке обеспечивает возможность изменять степень декомпрессии (уровня снижения давления. создаваемою в газогенераторе) и, следовательно, регулировать величину давления выброса ингибитора.

Существенность отличительных признаков устройства обусловлена следующим:

Разделение корпуса на отсеки путем установки перпендикулярно его продольной оси передней и задней опорных решеток с размещением между ними ингибитора, изолированного от внешней среды, и совмещение с задней опорной решеткой разрывной мембраны обеспечивает равномерное действие давления, создаваемого в газогенераторе, что улучшает условия и параметры выброса ингибитора из корпуса, а также повышает равномерность распределения ингибитора в выбрасываемой газопорошковой среде ингибитора и увеличивает дальнобойность и полноту выброса ингибитора.

Анализ опубликованных источников информации подтвердил неизвестность заявленной совокупности существенных признаков и ее патентоспособность.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения вытекают из следующего детального описания примера его осуществления и прилагаемых чертежей, в которых: на фиг. 1-5 представлены варианты конкретного конструктивного исполнения взрывоподавляющего устройства; на фиг. 6-7 - схемы размещения пороховою газогенератора и задней опорной решетки; на фиг. 8 - графики зависимости дальнобойности устройства от длины разгонной камеры.

Заявленное устройство (фиг.1) состоит из корпуса 1, разделенного при помощи передней 2 и задней 3 опорных решеток со сквозными отверстиями, размещенных перпендикулярно оси корпуса 1, и совмещенных с ними разрывных мембран 4, 5 (предпочтительно из металлической фольги), на три отсека: передний 6, средний 7 и задний 8. На глухой торцевой стенке 9 отсека 8 закреплен газогенератор 10 с сопловыми отверстиями 11. Внутри газогенератора 10 помещен заряд 12 в виде трубчатых шашек, воспламенитель 13 и пиропатрон 14. Отсек 7 с размещенным в нем ингибитором 15 заполнен сухим воздухом (например, с точкой росы -40°С) для уменьшения слеживаемости ингибитора 15 и изолирован от внешней (окружающей) среды, находящейся в отсеке 8, разрывной мембраной 5, от атмосферы - разрывной мембраной 4.

Обе мембраны 4, 5 выполнены из алюминиевой фольги, которая является наиболее эффективным материалом для обеспечения герметичности отсеков, что хорошо известно. Допускаются другие материалы кроме алюминиевой фольги. На торце отсека 6, имеющего выходное отверстие, диаметр которого соответствует внутреннему диаметру D корпуса 1, закреплен распылитель 16. Отсеки 6, 7, 8 соединены между собой фланцами 17. Отверстия в верхней части задней опоры решетки 3 перекрыты заглушками 18. Площадь поперечных сечений отверстий передней опорной решетки 2 равна или больше площади поперечных сечений отверстий опорной решетки 3.

В одном из вариантов исполнения изобретения (фиг.2), когда ингибитор 15 является жидкостью, он размещен внутри вкладыша 19 из легко разрушаемого (в частности, полимерного) материала, изолирующего отсек 7 от окружающей среды. Разрывная мембрана 5 размещена на опорной решетке 3 со стороны газогенератора 10, а мембрана 4 (фиг. 1) отсутствует.

Отсеки 6, 7, 8 соединены друг с другом при помощи резьбовых соединений (на чертеже не показаны).

В другом варианте конструкции устройства (фиг. 3) ингибитор 15 размещен внутри жесткой втулки 20 между установленными на ее противоположных торцах опорных решетках 2, 3 и мембранах 4, 5, втулка 20 фиксируется внутри корпуса 1 при помощи упорных колец 21, 22.

В варианте конструкции устройства с порошковым ингибитором 15, приведенном на фиг. 4, корпус 1 выполнен ступенчатым: на длине L, соответствующей длине отсека 6 (разгонной камеры), корпус 1 сужен в вертикальной плоскости относительно отсека 7. Высота ступеньки ΔD равна или несколько больше максимальной усадки h, известной для выбранного типа ингибитора 15. Разрывная мембрана 4 размещена со стороны выходного отверстия отсека 6. Распылитель не установлен.

Заявленное взрывоподавляющее устройство (ВУ) предусматривает вариант конструкции (фиг. 5), при котором корпус 1 разделен на два отсека (секции).

Устройство (фиг. 5) содержит цилиндрический корпус 1, выполненный с глухой торцевой стенкой с одной стороны, на которой соосно с корпусом закреплен газогенератор с соплами, и выходным отверстием с другой стороны, т.е. с противоположного торца. В корпусе 1 установлены перпендикулярно его продольной оси передняя и задняя опорные решетки 2, 3. Задняя опорная решетка 3 делит корпус 1 на два отсека (секции) и всегда совмещена с разрывной мембраной. Таким образом, отсек, где размещен газогенератор, отделен от отсека с ингибитором задней опорной решеткой, совмещенной с разрывной мембраной, а ингибитор размещен в отсеке, ограниченном с двух противоположных сторон передней и задней опорными решетками 2, 3.

Если ингибитор порошковый, гигроскопичный, передняя опорная решетка 2, как и задняя опорная решетка 3, совмещены с разрывными мембранами из металлической или полиэтиленовой фольги, которая обеспечивает герметичную изоляцию порошка от внешней (окружающей) среды в исходном состоянии устройства (в нерабочем состоянии). Если ингибитор жидкий, он находится в полиэтиленовом вкладыше, который размещен в отсеке между передней и задней опорными решетками 2, 3. В этом случае разрывная мембрана на передней решетке не является обязательной.

Передняя решетка 2 в устройстве на фиг 5 смещена в сторону открытого торца настолько, что L=0, т.е. установлена в выходном сечении корпуса 1 и выполняет функции распылителя.

На фиг. 6 газогенератор 10 закреплен при помощи резьбового соединения на глухой торцевой стенке 9. Внутри газогенератора 10 помещен пороховой заряд 12, который фиксируется при помощи диафрагмы 23 с отверстиями и мембраны 24, которые поджимаются крышкой 25 с сопловыми отверстиями 11. На торцевой стенке 9 закреплен пиропатрон 14, а между ним и зарядом 12 помещен воспламенитель 13. Задняя опорная решетка 3 отделена в корпусе 1 устройства при помощи колец 26 от сопловой крышки 25 таким образом, что оси сопловых отверстий 11 смещены относительно осей отверстий 27 в опорной решетке 3 (направлены в перемычки между отверстиями 23 решетки 3).

В схеме размещения газогенератора 10 на фиг. 7 между сопловой крышкой 25 и опорной решеткой 3 размещена пластина 28, укрепленная на решетке 3. Диаметр пластины d равен или больше расстояния l между наиболее удаленными друг от друга сопловыми отверстиями 11.

На фиг. 8, характеризующей дальнобойность ВПУ (1), цифрами 2, 3, 4, обозначены графики дальности выброса первой порции ингибитора (в момент запуска установки), 5, 6, 7 - последней порции ингибитора, при отношениях длины выходного (разгонного) отсека L к внутреннему диаметру D корпуса 1, в выходном сечении равных L/D=0, L/D=0,2, L/D=0,5 соответственно. Обозначения ΔВ₁, ΔВ₂, ΔВ₃ соответствуют протяженности струи газопорошковой смеси ингибитора, перекрывающей защищаемую зону; В - дальнобойность, t - время выброса ингибитора; ⊗ - место вспышки. Значения В для вышеуказанных соотношений L/D приведены в табл. 1.

Работа ВПУ (фиг. 1) осуществляется следующим образом.

В устройстве при возникновении вспышки по сигналу управляющего устройства (например, датчика пламени) срабатывает пиропатрон 14, который поджигает воспламенитель 13 и заряд 12. При этом продукты сгорания заряда 12 истекают через сопловые отверстия 11 и попадают на перемычки задней решетки 3, расположенные между отверстиями в ней (показаны на фиг. 6), или на пластину 28 (показана на фиг. 7), которая выполняет функцию отбойника, распределяющего продукты сгорания, выбрасываемые из газогенератора 10 равномерно по всему объему отсека 8, то есть отсек 8 является декомпрессионным, резко снижающим давление, возникающее в газогенераторе 10. При достижении определенной величины давления (достаточной для выброса ингибитора 15, но безопасной при его выбросе для окружающего персонала) происходит разрыв мембраны 5 и пороховые газы, проходя через отверстия в решетке 3, не перекрытые заглушками 18, действуют на все поперечное сечение ингибитора 15, создавая в отсеке 7 газопорошковую смесь. Опорная решетка 2 и мембрана 4 (до ее разрыва) обеспечивают необходимый подпор для образования в отсеке 7 равномерно распределенной по объему (за счет взвихрения ингибитора 15 продуктами сгорания заряда 12) газопорошковой смеси. После разрыва мембраны 5 происходит импульсный выброс ингибитора 15 в отсек 6, в котором газопорошковая смесь разгоняется и затем дипергируется через распылитель 16 в защищаемый объем. По мере образования защитной среды необходимого объема и концентрации очаг загорания потухает и предотвращается переход его горения во взрыв.

Работа усгройства на фиг. 2 осуществляется аналогично работе устройства на фиг. 1. Дополнительно после разрыва мембраны 5 происходит разрыв легкоразрушаемого вкладыша 19, в которой размещен ингибитор 15.

Работа устройства на фиг. 3 осуществляется аналогично работе усгройства фиг. 1, 2, при этом ингибитор 15 выбрасывается через опорную решетку из втулки 20, место расположения которой в корпусе 1 регулируется предварительно кольцами 21, 22.

Работа устройства на фиг. 4 аналогична работе устройства на фиг. 1-3. В лом варианте сужающаяся часть корпуса (отсек 6) обеспечивает дополнительный подпор ингибитора 15 к опорной решетке 2. что уменьшает возможность прорыва продуктов сгорания заряда 12 через пустоту в верхней части отсека 7, образовавшуюся за счет усадки ингибитора 15. В данном случае сужающаяся часть корпуса (отсек 6) выполняет функцию камеры, компенсирующей усадку ингибитора 15. При прохождении ингибитора 15 через большое количество отверстий в опорной решетке 2 на выходе из них создаются взаимно пересекающиеся газопорошковые потоки (за счет их расширения). В результате этого на срезе выходного отверстия камеры 1 порошок равномерно распределяется по поперечному сечению выбрасываемой и продолжающей расширяться газопорошковой струи. В этом случае дальнобойность устройства будет наибольшей, так как отсутствуют потери, вызванные в устройстве фиг. 1 наличием распылителя 16.

Работа устройства, показанного на фиг. 5, аналогична работе устройства на фиг. 1 за исключением того, что распыление ингибитора 15 происходит сразу после выброса его через отверстия в опорной решетке 2. В данной конструкции габариты устройства наименьшие, так как разгонная камера практически отсутствует (L/D< 0,2).

Эффективность предложенного технического решения подтверждена результатами сопоставительных испытаний прототипа (опыт № 1 табл. 1) и устройства в варианте исполнения фиг. 1, 5 (опыты № 3, 4, 5 и № 2 соответственно).

Проведены испытания устройства с оценкой дальности выброса ингибитора и массы ингибитора, оставшегося в устройстве после его срабатывания. Результаты испытаний приведены в табл. 1 и на фиг. 8.

2. Масса остатка ингибитора после срабатывания устройства не должна превышать 15 % [3].

Из табл. 1 следует, что дальнобойность предложенного устройства по сравнению с прототипом увеличилась от 10 до 60 %. Из сопоставления опытов №1 и 2 следует, что введение декомпрессионной камеры (отсек 8) и опорных решеток 2, 3 с мембранами 4, 5 обеспечило уменьшение массы остатка ингибитора в 1.5 раза. Отмечается также резкое изменение указанных параметров при соотношении L/D, равном 0,2, а при соотношении L/D, равном 0,5, средняя плотность облака ингибитора приближается к допустимому уровню, при этом по массе остатков ингибитора эффективность предложенного устройства увеличилась до 10 раз. Таким образом, указанные значения могут быть приняты в качестве предельных

Кроме того. проводилась оценка влияния соотношения площадей сопловых отверстий в газогенераторе и на задней опорной решетке на уровень максимального давления в декомпрессионной камере. Изменение соотношения площадей отверстий осуществлялось за счет установки заглушек 18 (фиг.1).

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Проведены также испытания по гашению вспышки метано-воздушной смеси в условиях, имитирующих шахтный забой. Обеспечено гашение вспышки метано-воздушной смеси при размещении устройства на расстоянии 30 м от источника воспламенения (электроспирали).

Проведены также испытания по гашению вспышки бензина, налитого в противень размерами 0,5×1,0×0,1 м. Гашение осуществлялось с размещением устройства на расстоянии 30 м от источника воспламенения.

Результаты испытаний подтвердили эффективность работы взрывоподавляющего устройства.

Изобретение может быть использовано для предотвращения взрывов и пожаров в начальной стадии их возникновении в сетях горных выработок, в угольных шахтах, а также в помещениях и на объектах, опасных по взрыву парогазо- и пылевоздушных смесей (нефтеперерабатывающие, газоперекачивающие, лакокрасочные, мукомольные и другие предприятия).

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1346815, МПК⁴ Е 21 F 5/00, опубликовано 23.10.87 г.

2. Патент РФ № 2070967 от 27.12.96 г., МПК⁶ Е 21 F 5/00, опубликовано 27.12.96 г. (прототип).

3. Установки порошкового пожаротушения автоматические. Модули. Общие технические требования. Методы испытаний НПБ 67-98, Москва, 1998 г., стр. 11.

Изобретение относится к противопожарной технике для предотвращения взрывов и пожаров в начальной стадии их возникновения в сетях горных выработок и угольных шахтах. Техническим эффектом изобретения является обеспечение эффективности действия за счет увеличения дальнобойности и полноты выброса ингибитора. Для этого устройство включает корпус, выполненный с глухой торцевой стенкой, на которой соосно с корпусом закреплен газогенератор с соплами и выходным отверстием на противоположном торце корпуса. В корпусе размещен игибитор, изолированный от внешней среды, а перпендикулярно его продольной оси установлены передняя и задняя опорные решетки (ОР). Последние делят корпус на отсеки. Причем отсек, где размещен газогенератор, отделен от отсека с ингибитором задней ОР, совмещенной с разрывной мембраной. Ингибитор размещен в отсеке корпуса между передней и задней ОР. В корпусе для размещения ингибитора могут быть размещены вкладыш из легкоразрушаемого материала или втулка, выполненная с возможностью ее перемещения внутри корпуса. Передняя ОР также может быть совмещена с разрывной мембраной. При этом передняя ОР удалена от выходного отверстия на расстояние L. Отношение длины отсека, примыкающего к выходному отверстию, к диаметру D определяется соотношением 0,2≤ L/D ≤0,5. Отношение суммарной площади поперечных сечений сопел газогенератора Sс к суммарной площади Sр отверстий в задней опорной решетке может определяться условием 0,025≤Sс/Sр≤0,2. В отдельных случаях задняя опорная решетка выполнена с возможностью перекрытия ее отверстий заглушками. 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

1. Взрывоподавляющее устройство, включающее корпус, выполненный с глухой торцевой стенкой, на которой соосно с корпусом закреплен газогенератор с соплами, и выходным отверстием на противоположном торце корпуса, а также ингибитор, размещенный в корпусе изолированно от внешней среды, отличающееся тем, что в корпусе установлены перпендикулярно его продольной оси передняя и задняя опорные решетки, при этом корпус разделен на отсеки, причем отсек, где размещен газогенератор, отделен от отсека с ингибитором задней опорной решеткой, совмещенной с разрывной мембраной, а ингибитор размещен в отсеке корпуса между передней и задней опорными решетками.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ингибитор размещен внутри вкладыша из легкоразрушаемого материала, которым снабжен отсек для ингибитора.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передняя опорная решетка совмещена с другой разрывной мембраной.4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что передняя опорная решетка удалена от выходного отверстия на расстояние L, при этом отношение длины отсека, примыкающего к выходному отверстию, к диаметру корпуса определяются уравнением

где L - длина отсека, равная расстоянию от передней опорной решетки до выходного отверстия, см;

D - внутренний диаметр корпуса, см.

где Sc - суммарная площадь поперечных сечений сопел газогенератора, см²;

Sp - суммарная площадь поперечных сечений отверстий в задней опорной решетке, см².