СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВА В ПЫЛЕ-, ГАЗО- И ПЫЛЕ-ГАЗОВОЗДУШНЫХ СРЕДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК A62C3/04 

Изобретение относится к способу и средствам взрывозащиты и противопожарной технике.

Предлагаемый способ предназначен для подавления взрывов пыле-, газо- и пылегазовоздушных смесей путем флегматизации взрывоопасной среды и подавления первичных очагов ее воспламенения в замкнутых и частично открытых объемах различных аппаратов, оборудования и сооружений промышленного назначения.

Преимущественное назначение - пожаровзрывозащита технологического оборудования и сооружений на предприятиях по добыче, хранению и переработке сырья (угля, нефти, газа, зерна и др.) в химической, нефтеперерабатывающей, газовой, пищевой и ряда других отраслей промышленности.

Известен способ локализации взрыва пыле- или газовоздушных смесей путем предотвращения распространения продуктов взрывного горения (высокотемпературных газов и пламени) по коммуникациям, связывающим между собой взрывоопасное оборудование и сооружения, в объеме которых могут образовываться пыле- или газовоздушные взрывоопасные смеси (патент РФ №2111777, БИ №15 от 27.05.98 г.).

Однако в отличие от предлагаемого это способ борьбы не с самим процессом взрыва на ранних стадиях его развития, а с последствиями взрыва в виде распространяющихся по коммуникациям в сторону других взрывоопасных объемов горячих продуктов взрыва.

Известен более близкий по назначению способ, реализуемый системой автоматического подавления взрывов пылевоздушных смесей в химической промышленности, включающей в качестве исполнительных устройств гидропушки ГПФ-5, ГПФ-10, пламеподавители порошковые ПП-5, ПП-10, оросители типа АО и пламеотсекатели. В качестве взрыворегистрирующих датчиков используются индикатор взрыва ИВ-1 и сигнализатор пламени “Сириус”.

Принцип действия системы АСПВ “Щит” основан на быстром обнаружении очага воспламенения индикатором взрыва или сигнализатором пламени, подаче команды через блок управления БУ-2 на исполнительные устройства, впрыскивающие в полость аппарата огнетушащую жидкость или пламегасящий порошок.

Система АСПВ “Щит” имеет три основных недостатка.

Во-первых, исполнительные элементы, основанные на вытеснении поршнем огнетушащего вещества из распылителя, не могут обеспечить высоких скоростей истечения и заполнения взрывоопасного объема.

При скоростях истечения, близких к скорости распространения реакционного фронта, инерционность защитной системы не обеспечит взрывоподавления.

Во-вторых, жидкостные (гидропушки) и порошковые пламегасители рассчитаны на защиту отдельных аппаратов и не могут обеспечить взрывопредупреждения в больших объемах (помещениях, шахтах и пр.).

В-третьих, большие габариты и металлоемкость исполнительных устройств исключают возможность применения их на многих объектах, например на предприятиях по хранению и переработке зерна.

Предлагаемый способ взрывоподавления учитывает особенности развития взрывного процесса в пыле-, газо- и пылегазовоздушных средах. При достаточно большой протяженности реагирующей среды нормальное горение через дефлаграционное может перейти в детонацию.

В большинстве случаев воспламенение при взрывоопасных концентрациях среды на начальном этапе сопровождается нормальным горением, идущим с относительно невысокими скоростями. Так, максимальная скорость горения метана составляет 0,34 м/с, оксида углерода - 0,45 м/с, водорода - 2,67 м/с. Для остановки процесса на стадии нормального горения необходима быстрая индикация воспламенения с подачей инициирующего импульса на исполнительные элементы, обеспечивающие скорость истечения ингибирующего огнетушащего агента, существенно более высокую, чем скорость горения среды.

Так, при инерционности индикаторов и исполнительных элементов в сумме около 300 мс (что практически легко достижимо) и околозвуковой скорости подачи ингибитора загорание ликвидируется за время 500...700 мс, т.е. на стадии нормального горения среды.

Таким образом, предлагаемый способ подавления требует быстрой индикации воспламенения среды (менее 100 мс) и высокой скорости подачи ингибитора (близкой или большей скорости звука).

В качестве наиболее близкого аналога заявленному изобретению в части первого объекта принят способ подавления взрыва в пылевоздушных, газовоздушных и пылегазовоздушных средах, раскрытый в патенте Великобритании №2324466, кл. А 62 С 3/04, опубл. 28.10.1998.

В отличие от указанного известного способа способ подавления взрыва в пылевоздушных, газовоздушных и пылегазовоздушных средах согласно изобретению характеризуется тем, что в промежуток времени между воспламенением и началом взрывного процесса (дефлаграцией, детонацией) взрывоопасная среда флегматизируется ингибирующим аэрозолем, подаваемым в очаг горения и окружающее его пространство со скоростью, превышающей скорость распространения пламени, т.е. поставленные цели достигаются созданием автоматического взрывоподавляющего устройства, чувствительными элементами которого являются датчики, улавливающие электромагнитное или звуковое и ультразвуковое излучение, а исполнительным элементом является генератор(ы) ингибирующего аэрозоля (фиг.1), конструктивно выполненный(ые) по принципу реактивного двигателя со сверхзвуковым истечением аэрозоля.

Известно взрывоподавляющее устройство, включающее заполненный порошковым ингибитором контейнер, с одного торца которого размещены легкоразрушаемая диафрагма и распылитель, а с другого - торцевая стенка, на которой соосно размещена цилиндрическая камера сгорания с размещенным в ней газогенерирующим зарядом, электровоспламенитель и патрубки с дросселирующими отверстиями, установленные на боковой поверхности камеры сгорания (патент РФ №2070967, БИ №36 от 27.12.96 г.).

Основным недостатком взрывоподавляющего устройства является относительно большой размер частиц порошкового ингибитора (не менее 20 мкм), что обуславливает в 5...7 раз более низкую эффективность пожаровзрывоподавления (0,5...0,7 кг на 1 м³) и большую скорость оседания частиц порошка из аэровзвеси (аэрозоля), что не позволяет флегматизировать (предохранить) защищаемый объем от повторных вспышек и взрывов на сколь-нибудь продолжительное время. Кроме того, порошок склонен к слеживанию в процессе длительного хранения и слипанию под воздействием высокотемпературных газов от газогенерирующего заряда, что также снижает эффективность и надежность данного устройства. Существует также ряд ограничений по применению взрывоподавляющего устройства, обусловленный способностью крупнодисперсного аэрозольного облака расслаиваться и разрушаться в больших объемах и при встрече с препятствиями на пути распространения.

Аналогичные проблемы имеют исполнительные устройства системы элементов активной взрывозащиты “Щит” (пламеотсекатели, гидропушки и оросители), широко используемые в химической промышленности.

Ближайшим аналогом является устройство для локализации взрыва пыле- или газовоздушных взрывоопасных смесей в технологическом оборудовании и сооружениях, содержащее генератор ингибирующего аэрозоля двустороннего истечения, корпус которого со стороны выходных решеток снабжен сопловыми блоками с внутренней геометрией, обеспечивающей сверхзвуковое истечение аэрозоля под углом 15-30° к оси коммуникации, например, в виде сопла Лаваля (Патент РФ №2111777, БИ №15 от 27.05.98 г.). Данная конструкция имеет ряд недостатков, снижающих эффективность и надежность взрывозащиты.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности и надежности подавления взрыва пыле-, газо- и пылегазовоздушных смесей за счет уменьшения времени задержки срабатывания устройства и увеличения его расходных характеристик (мощности аэрозольгазового потока) в начальный момент срабатывания.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для подавления взрыва в пылевоздушных, газовоздушных и пылегазовоздушных средах, содержащем корпус с камерой сгорания, шашку аэрозольгенерирующего заряда, воспламенительную систему с токоподводящим узлом, выходную решетку и сопловой блок, дополнительно содержится лидирующий заряд с высокоразвитой поверхностью горения, например, в виде пучка одноканальных трубок по принципу артиллерийского заряда, при этом лидирующий заряд размещен между торцом шашки аэрозольгенерирующего заряда и выходной решеткой, а также содержится герметизирующая мембрана, разрушающаяся при воспламенении зарядов и расположенная в зоне стыковки выходной решетки с сопловым блоком. В частности, лидирующий заряд выполнен в виде набора тонкосводных трубок из аэрозольгенерирующего состава или в виде многоканального щелевого моноблока из аэрозольгенерирующего состава, а герметизирующая мембрана выполнена из тонколистового материала, например алюминиевой фольги или полимерной пленки, толщиной 0,1-0,5 мм. Это обеспечивает при срабатывании мгновенный “выстрел” ингибирующего аэрозоля в защищаемый объем в течение ~50 мс.

Шашка аэрозольгенерирующего состава - основной заряд “подпитывает” аэрозолем защищаемый объем, компенсируя рассеяние “выстреленного” аэрозоля. Время его работы - несколько секунд.

Уменьшение времени задержки срабатывания устройства достигается установкой в зоне стыковки выходной решетки и соплового блока герметизирующей мембраны из тонколистового материала, например фольги. Это повышает давление и температуру продуктов горения воспламенителя в момент срабатывания, это позволяет быстрее и полнее воспламенить поверхность горения аэрозольгенерирующих зарядов.

После воспламенения всей поверхности горения фольга разрывается и аэрозольгазовый поток, разгоняясь в сопловом блоке, например в сопле Лаваля, до сверхзвуковых скоростей, устремляется в защищаемый объем. Одновременно за счет расширения в сопле происходит охлаждение аэрозольгазового потока до 700°С.

В ближайшем аналоге монолитная шашка аэрозольгенерирующего состава имеет относительно небольшую поверхность горения и воспламеняется вначале в канале, а затем по торцам и боковой цилиндрической поверхности, поэтому время задержки срабатывания устройства достаточно велико, а истекающий аэрозольгазовый поток вначале достаточно слаб. Это накладывает ограничения на места установки устройства - аналога: оно должно быть установлено на достаточном удалении от очага возгорания с тем, чтобы успеть создать аэрозольгазовую “пробку” (затвор) и не пропустить волну распространения продуктов взрыва в другие аппараты. Заявляемое устройство таких ограничений не имеет и может быть установлено непосредственно в аппарате, где имеется опасность вспышки или взрыва.

На фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе. Устройство включает в себя корпус (1) с размещенными в нем шашкой аэрозольгенерирующего состава - основного заряда (2), лидирующего заряда (3), воспламенителем (7), выходной решеткой (4), герметизирующей мембраной (5). Сопловой блок (6) с помощью фланцев соединен с корпусом (1).

На фиг.2 представлена схема расположения элементов автоматической системы взрывоподавления (АСВ) в аппаратах (а) и больших объемах (б).

Устройство взрывоподавления и автоматическая система взрывоподавления работают следующим образом.

При возникновении первых признаков горения пыле-, газо- или пылегазовоздушной смеси датчик-индикатор, например сигнализатор мембранный типа СУМ-1(3) для аппарата или извещатель пламени модуляционный типа МДН (4) для помещения, выдает сигнал на блок управления (2), который подает напряжение 6...36 В через токопроводящий узел на электровоспламенитель устройства (1). Электровоспламенитель поджигает канал основного и поверхность лидирующего зарядов.

Герметизирующая мембрана обеспечивает повышение давления и температуры аэрозольгазовой смеси, что приводит к полному воспламенению всей поверхности лидирующего заряда.

При достижении критического давления мембрана разрушается и аэрозольгазовый поток, разгоняясь в сопловом блоке, со сверхзвуковой скоростью устремляется в зону очага возгорания. При этом сверхзвуковой аэрозольгазовый поток отсекает горячие продукты горения от холодной взрывоопасной смеси, интенсивно перемешивает их и ингибирует реакции горения. В результате сгорания лидирующего и основного аэрозольгенерирующих зарядов весь взрывоопасный объем заполняется ингибирующей аэрозольгазовой смесью, исключающей повторное возгорание взрывоопасной смеси от неустраненного источника (искрение, трение и т.п.).

Высокая эффективность действия предлагаемого способа и устройства взрывоподавления в аппарате объемом 10 м³ подтверждена натурными испытаниями, проведенными в ФЦДТ “Союз”.

Пример

Технические характеристики устройства взрывоподавления:

Диаметр, мм 110

Длина, мм 380

Масса основного заряда, кг 1,0

Масса лидирующего заряда, кг 0,2

Размеры шашки основного заряда:

- Наружный диаметр, мм 84

- Диаметр канала, мм 10

- Длина, мм 110

Параметры лидирующего заряда:

- Наружный диаметр трубки, мм 10

- Диаметр канала, мм 6

- Длина трубки, мм 34

- Количество трубок, шт 62

Объем защищаемого аппарата, м³ 10

Объем контрольного аппарата, м³ 10

Длина связывающего трубопровода, м 5

Взрывоподавитель крепился сопловым блоком на стенке аппарата со стороны вышибного проема, затягиваемого полиэтиленовой пленкой. В объеме аппарата инициировался взрыв смеси муки с воздухом, вышибной проем.

Развитие процесса фиксировалось киноаппаратурой на фотобумаге осциллографа с помощью сигналов от датчиков давления, закрепленных в разных местах установки. Инерционность датчика СУМ-1 составила 50 мс, а взрывоподавителя – 60 мс. Полное подавление горения смеси прошло через 230 мс после вспышки. Переброса продуктов горения в контрольный аппарат не наблюдалось.

Изобретение относится к способу и средствам взрывозащиты и противопожарной технике, в особенности к предупреждению и подавлению взрыва пыле-, газо- и пылегазовоздушных смесей, образующихся в технологическом оборудовании и сооружениях на предприятиях по хранению и переработке зерна. Целью изобретения является создание высокоэффективного и надежного автоматического устройства взрывоподавления, способного остановить взрывные процессы в пыле-, газо- и пылегазовоздушных средах в самой начальной стадии их развития, характеризующейся воспламенением и нормальным горением смесей. Флегматизация взрывоопасной среды и ингибирование ее горения на ранней стадии позволяют предотвратить распространение взрывного процесса по коммуникациям и ограничить материальный ущерб выгоранием части продукта без разрушения аппарата, сооружения или помещения. Задача решается способом введения ингибирующего аэрозоля в защищаемый объем в промежуток времени между воспламенением среды и началом взрывного процесса со скоростью, превышающей скорость распространения пламени. Способ реализуется с помощью автоматического устройства, содержащего чувствительные датчики-индикаторы воспламенения и исполнительный элемент - взрывоподавитель, состоящий из корпуса с камерой сгорания, основного и лидирующего аэрозольгенерирующих зарядов, воспламенительной системы, выходной решетки с герметизирующей мембраной и соплового блока, обеспечивающих малую инерционность срабатывания и околозвуковую или сверхзвуковую скорость подачи ингибирующего аэрозоля в защищаемый объем. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подавления взрыва в пылевоздушных, газовоздушных и пылегазовоздушных средах, характеризующийся тем, что в промежуток времени между воспламенением и началом взрывного процесса взрывоопасная среда флегматизируется ингибирующим аэрозолем, подаваемым в очаг горения и окружающее его пространство со скоростью, превышающей скорость распространения пламени.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для индикации воспламенения используется электромагнитное излучение пламени (инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый диапазоны) или излучение продуктов горения звукового и ультразвукового диапазона, имеющие скорость распространения, многократно (в 10²...^{105 раз) превышающую скорость горения смесей.}3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для индикации воспламенения в замкнутых аппаратах используется датчик давления мембранного типа с инерционностью не более 50 мс и порогом срабатывания не более 0,01 МПа.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подача ингибирующего аэрозоля производится с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью.5. Устройство для подавления взрыва в пылевоздушных, газовоздушных и пылегазовоздушных средах, содержащее корпус с камерой сгорания, шашку аэрозольгенерирующего заряда, воспламенительную систему с токоподводящим узлом, выходную решетку и сопловой блок, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит лидирующий заряд с высокоразвитой поверхностью горения, размещенный между торцем шашки аэрозольгенерирующего заряда и выходной решеткой, и герметизирующую мембрану, разрушающуюся при воспламенении зарядов и расположенную в зоне стыковки выходной решетки с сопловым блоком.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что лидирующий заряд выполнен в виде набора тонкосводных трубок из аэрозольгенерирующего состава.7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что лидирующий заряд выполнен в виде многоканального щелевого моноблока из аэрозольгенерирующего состава.8. Устройство по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что герметизирующая мембрана выполнена из тонколистового материала, например, алюминиевой фольги или полимерной пленки толщиной 0,1... 0,5 мм.