СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА Российский патент 2005 года по МПК A62C3/02 

Изобретение относится к лесному хозяйству, преимущественно к охране лесов от пожаров, и может быть использовано для обнаружения лесного пожара и его характеристик.

Известен способ диагностики лесного пожара, включающий исследование лесных ландшафтов инфракрасным методом, определение контура лесного пожара, проведение дистанционного контактного зондирования фронта пожара в отдельных его точках, установление термодинамической температуры и суммарного теплового потока пожара [1].

Недостатком данного способа является то, что его реализация предполагает значительные материальные затраты, обусловленные резким увеличением в последние годы стоимости аренды летательных аппаратов. Кроме того, в условиях плохой видимости затруднено не только снятие характеристик лесного пожара, но и непосредственно его обнаружение, поскольку в целях безопасности полеты летательных аппаратов в сложных метеоусловиях могут быть запрещены.

Известен способ диагностики лесного пожара, включающий исследование лесных ландшафтов инфракрасным методом, дистанционное зондирование лесного пожара, регистрацию радиационного излучения зоны горения в режиме линейного сканирования, измерение периметра и кромки лесного пожара и определение вида пожара [2].

Этот способ обладает по существу такими же недостатками, что и предыдущий.

Известен способ обнаружения лесного пожара, включающий восприятие тепловой энергии, преобразование ее в электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре [3].

Недостатком этого способа является сложность эксплуатации, заключающаяся в том, что аппаратура, устанавливаемая на пожарных наблюдательных мачтах, требует постоянного обслуживания (периодическое включение телекамеры пультом дистанционного управления, контроль разряда аккумуляторных батарей и их замена, защита мачт от коррозии и т.д.). Комплект аппаратуры, размещенный на мачте, потребляет сравнительно большую мощность, что с учетом круглосуточного контроля за лесным массивом и автономного дорогостоящего питания требует больших материальных затрат на эксплуатацию. Кроме того, в условиях недостаточной видимости радиус обзора лесного массива снижается.

Прототипом является способ обнаружения лесного пожара, включающий восприятие тепловой энергии, преобразование ее во внутреннюю энергию одного, затем другого тела, последующее преобразование внутренней энергии последовательно в электрическую и электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре [4].

Недостатки этого способа заключаются в относительно низкой чувствительности обнаружения пожара и в излишне продолжительном (в четыре этапа) преобразовании тепловой энергии, что увеличивает время выявления возгорания и снижает надежность аппаратуры, реализующей указанный способ. Низкая чувствительность обуславливается преобразованием внутренней энергии жидкости в пар, энергия которого затем используется для вращения турбогенератора. На продуцирование из жидкости необходимого для вращения количества пара расходуется достаточно много тепловой энергии. Если при этом учесть, что турбина находится на определенном расстоянии от парогенератора, то обязательным становится продуцирование перегретого пара, который не успел бы сконденсироваться на пути к турбине. На перегрев пара затрачивается дополнительная тепловая энергия. В результате этого лесной пожар может быть обнаружен только при достаточно близком подходе его кромки к аппаратуре, что в совокупности со временем преобразования тепловой энергии в электромагнитное излучение увеличивает продолжительность выявления возгорания. Кроме того, за время преобразования тепловой энергии в электромагнитное излучение аппаратура может оказаться в очаге пламени и выйти из строя из-за высокой температуры до момента подачи сигнала тревоги в эфир.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение эффективности обнаружения лесного пожара и сокращение времени выявления возгорания.

Задача решается тем, что в способе обнаружения лесного пожара, включающем восприятие тепловой энергии, преобразование ее во внутреннюю энергию рабочего тела, сопровождающееся изменением агрегатного состояния рабочего тела, включающим превращение жидкой его фазы в парообразную, последующее преобразование внутренней энергии в электрическую, а затем в электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре, преобразование осуществляют в три этапа, при этом тепловую энергию преобразуют во внутреннюю энергию рабочего тела на первом этапе, на втором этапе внутреннюю энергию рабочего тела преобразуют в электрическую при температуре, соответствующей точке кипения жидкой фазы рабочего тела, путем использования энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь, а преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение проводят на третьем этапе.

Изменение агрегатного состояния рабочего тела начинают с температуры, характерной для зоны, непосредственно прилегающей к кромке лесного пожара. В качестве рабочего тела используют вещество, вязкость которого уменьшается с увеличением температуры. Агрегатное состояние рабочего тела изменяют путем превращения твердой его фазы в жидкую, а затем - в парообразную. Мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по интенсивности превращения жидкой фазы в парообразную. Мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по продолжительности преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию. Мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по продолжительности электромагнитного излучения.

Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат, состоящий в повышении эффективности обнаружения лесного пожара и сокращении времени выявления возгорания.

Сущность изобретения отражают операции:

- тепловую энергию лесного пожара преобразуют в электромагнитное излучение в три этапа, при этом тепловую энергию преобразуют во внутреннюю энергию рабочего тела на первом этапе;

- на втором этапе внутреннюю энергию рабочего тела преобразуют в электрическую при температуре, соответствующей точке кипения жидкой фазы рабочего тела, путем использования энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы, и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь;

- преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение проводят на третьем этапе;

- изменение агрегатного состояния рабочего тела начинают с температуры, характерной для зоны, непосредственно прилегающей к кромке лесного пожара;

- в качестве рабочего тела используют вещество, вязкость которого уменьшается с увеличением температуры;

- агрегатное состояние рабочего тела изменяют путем превращения твердой его фазы в жидкую, а затем - в парообразную;

- мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по интенсивности превращения жидкой фазы в парообразную;

- мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по продолжительности преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию;

- мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по продолжительности электромагнитного излучения.

Указанные операции позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Преобразование тепловой энергии лесного пожара в электромагнитное излучение в три этапа позволяет уменьшить продолжительность выявления возгорания, а также увеличить надежность аппаратуры, реализующей этот способ.

Преобразование на втором этапе внутренней энергии рабочего тела в электрическую при температуре, соответствующей точке кипения жидкой фазы рабочего тела, путем использования энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы, и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь, и преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение на третьем этапе уменьшает затраты тепловой энергии на указанную процедуру, а следовательно, дает возможность выявить возгорание на более ранней стадии.

Кроме того, преобразование внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию при температуре, соответствующей точке кипения жидкой его фазы, дает возможность отследить точку кипения жидкой фазы, а также упростить процесс преобразования и повысить его эффективность за счет использования энергии кипящей жидкости.

Использование для преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь, позволяет повысить КПД преобразователя и улучшить эксплуатационные свойства аппаратуры за счет снижения ее весогабаритных характеристик.

Изменение агрегатного состояния рабочего тела, начиная с температуры, характерной для зоны, непосредственно прилегающей к кромке лесного пожара, позволяет заранее обнаружить пожар, еще до непосредственного приближения кромки лесного пожара к аппаратуре. Поскольку в кромке температура выше, чем в непосредственно прилегающей к ней зоне, то снижаются требования к условиям эксплуатации этой аппаратуры, и увеличивается продолжительность ее работы, так как в пламени, при высокой температуре, аппаратура выйдет из строя.

Использование в качестве рабочего тела вещества, вязкость которого уменьшается с увеличением температуры, позволяет варьировать температурой, при которой начинается получение электрической энергии и электромагнитного излучения, а следовательно, получать характеристики пожара в различных точках зоны. Чем выше вязкость вещества при данной температуре, тем при большей температуре начнется получение электрической энергии и электромагнитного излучения, т.е. ближе к кромке или непосредственно в самой кромке пожара. Это, в свою очередь, при необходимости позволит получить информацию, например, о скорости распространения кромки пожара.

Изменение агрегатного состояния рабочего тела путем превращения твердой его фазы в жидкую, а затем в парообразную дает возможность отслеживать характерные для фазовых переходов значения температуры, теплоты плавления, парообразования. Впоследствии эти значения могут быть использованы для вычисления параметров (характеристик) лесного пожара.

Определение мощности тепловой энергии кромки лесного пожара по интенсивности превращения жидкой фазы в парообразную и по продолжительности преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию упрощает аппаратурные затраты на реализацию заявленного способа и повышает надежность аппаратуры.

Определение мощности тепловой энергии кромки лесного по продолжительности электромагнитного излучения также упрощает аппаратурные затраты.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже изображена схема устройства, иллюстрирующего способ обнаружения лесного пожара.

Устройство содержит корпус 1 с герметичной крышкой 2, имеющей отверстие 3 для выпуска пара 4. На корпусе закреплен кронштейн 5 с катушкой 6, имеющей выводы 7, которая расположена в зазоре магнитной системы 8 с магнитами 9, установленной на одном конце рычага 10, другой конец которого через плоский пружинный подвес 11 прикреплен к кронштейну 12 корпуса. К рычагу прикреплен поплавок 13, который погружен в жидкость 14 с паровыми пузырями 15.

Способ реализуют следующим образом.

В исходном состоянии устройство размещают на дереве, при этом отверстие 3 в крышке 2 и часть пространства между крышкой и жидкостью 14 заливают легкоплавким материалом (на чертеже не показан), например воском. Это предотвращает колебания жидкости, поплавка и магнитной системы 8 (магниты 9 с магнитопроводом) при раскачивании дерева от порывов ветра, а следовательно, исключает наведение напряжения в катушке 6. В таком ждущем режиме устройство может находиться сколь угодно долго, при этом оно не затрачивает никакой энергии.

При возникновении пожара и приближении его кромки к устройству, последним воспринимают тепловую энергию и преобразуют ее на первом этапе во внутреннюю энергию жидкости 14 путем ее нагрева до температуры кипения. При этом воск расплавляется, поверхность жидкости становится подвижной, а пространство над жидкостью через отверстие 3 начинает сообщаться с атмосферой для выпуска пара 4, благодаря чему температура кипения жидкости будет постоянной и соответствовать температуре кипения при атмосферном давлении.

На втором этапе внутреннюю энергию преобразуют в электрическую энергию при температуре, соответствующей точке кипения жидкости. В закипевшей жидкости начинают образовываться паровые пузыри 15, которые устремляются вверх, возмущая при этом поверхность жидкости 14. Поплавок 13 начинает раскачиваться на волнах кипящей жидкости, при этом раскачиванию будет также способствовать выталкивающая сила, действующая на пузырь, попадающий под дно поплавка. Если поплавок разместить достаточно близко к дну корпуса 1, то энергия парового пузыря (образовавшегося под дном поплавка) в процессе его роста будет расходоваться на перемещение поплавка. Электрическую энергию получают путем наведения напряжения в катушке 6 магнитной системой, которая с рычагом 10 посредством поплавка совершает колебательные движения над катушкой. При этом упругий подвес 11 определяет жесткость колебательной системы, в которую помимо подвеса, рычага и магнитной системы входит также поплавок.

На третьем этапе электрическую энергию преобразуют в электромагнитное излучение при помощи передающей аппаратуры (на чертеже не показана), для чего напряжение, поступающее по проводам 7, выпрямляют и подают на накопитель, например конденсатор, с которого оно уже в качестве питающего напряжения поступает на эту аппаратуру. Получив питание, последняя начинает функционировать, передавая в эфир сигнал с информацией о своем местоположении (о месте пожара) или без таковой информации. В последнем случае достаточно точно определить место пожара можно при наличии хотя бы двух пеленгов с систем лесхозов. Очевидно, что для увеличения мощности необходимо увеличить количество катушек и магнитных систем.

По мере испарения жидкости 14 и выхода ее в виде пара 4 из отверстия 3 крышки 2 уровень жидкости уменьшается, что, в конце концов, приводит к зависанию поплавка 13 и прекращению подачи питающего напряжения на передающую аппаратуру.

Определяют мощность тепловой энергии кромки лесного пожара по интенсивности превращения жидкой фазы в парообразную. Для этого каким-либо известным способом определяют изменение уровня в корпусе 1 и передают информацию об этом изменении, например, соответственно модулируя передаваемый аппаратурой в эфир сигнал. Зная массу испарившейся жидкости (по величине изменения уровня, площади сечения корпуса и плотности жидкости при температуре кипения) и удельную теплоту парообразования, по известной формуле вычисляют количество теплоты, затраченное на парообразование:

Q_пар=qm,

где Q_пар - количество теплоты, затраченное на парообразование, Дж; q - удельная теплота парообразования, Дж/кг; m - масса жидкости, кг.

Разделив полученное значение теплоты парообразования на время, за которое испарилась данная жидкость (изменился ее уровень) получают мощность тепловой энергии кромки лесного пожара. При этом, чем выше температура кипения жидкости (у глицерина, например, она равна 290°С), тем более ближней к кромке точке соответствуют найденные значения. Поскольку наличие измерителя уровня усложняет конструкцию, то за временной отрезок можно брать период времени от начала поступления сигнала в эфир до момента его окончания, т.е. до момента зависания поплавка в устройстве.

Можно также разделить корпус на две полости и заполнить их жидкостями с разными температурами кипения. Тогда, вычислив Q_пар1 для жидкости с более низкой температурой кипения с момента ее закипания (регистрируется моментом начала излучения в эфир сигнала), до момента закипания жидкости с более высокой температурой кипения (регистрируется, например, моментом начала модуляции сигнала) по формуле:

Q_пар1=cm(t_к2-t_к1),

где Q_пар1 - количество теплоты сообщенной жидкости с более низкой температурой кипения и затраченной на ее парообразование, Дж; t_к1, t_к2 - соответственно температуры низкокипящей и высококипящей жидкостей; с - удельная теплоемкость жидкости с температурой t_к2, Дж/(кг·К); m - масса жидкости с температурой t_к2, кг, и разделив вычисленное значение Q_пар1 на величину временного промежутка между указанными моментами, получают мощность тепловой энергии W' кромки лесного пожара, а также (из первой формулы) m'₁ - массу испарившейся жидкости с более низкой температурой кипения за этот промежуток времени. Далее, после прекращения модуляции сигнала, вычисляют количество теплоты Q_пар2, затраченной на испарение жидкости с более высокой температурой кипения за время модуляции, подставив в первую формулу значения q и m для этой жидкости, а также (из первой формулы) определяют m''₁ - массу испарившейся жидкости с более низкой температурой кипения за этот промежуток времени. Разделив Q_пар2 на время модуляции, получают мощность тепловой энергии W'' кромки лесного пожара в последующий промежуток времени. Одновременно вычисляют остаточную массу жидкости с более низкой температурой кипения по формуле:

m'''=m₀-(m'+m''),

где m₀ - начальная масса жидкости с более низкой температурой кипения до начала пожара, кг; m''' - остаточная масса жидкости, кг.

Затем, подставляя в первую формулу вместо m значение m''' и разделив полученный результат на время между моментом окончания модуляции и моментом прекращения сигнала в эфире, получают мощность тепловой энергии W''' кромки лесного пожара в заключительный (третий по счету) промежуток времени. Сопоставляя значения W', W'' и W''', оценивают динамику лесного пожара в зоне устройства. Заметим, что чем больше плотность размещения устройств в лесном массиве, тем раньше может быть обнаружен пожар и более детально может быть выявлен его контур и тактические части кромки (фронт, фланги, тыл).

Внедрение изобретения позволит автоматизировать процесс обнаружения лесных пожаров и снизить расходы на эксплуатацию регистрирующей пожар аппаратуры.

Источники информации

1. А.с. СССР №1225584, МПК А 62 С, 3/02, 1986 - аналог.

2. А.с. СССР №1621958, МПК А 62 С, 3/02, 1991 - аналог.

3. Главацкий Г.Д., Филимонов Э.Г. Автономная телевизионная аппаратура для обнаружения лесных пожаров // Лесное хозяйство, 1997, №6. С.48-49 - аналог.

4. Заявка FR №2652269, кл. А 62 С, 3/02, опубл. 29.03.1991 - прототип.

Способ обнаружения лесного пожара относится к лесному хозяйству и может быть использовано для охраны лесов от пожара и его характеристик. Технический результат, достигаемый при использовании данного способа, заключается в повышении эффективности тушения лесного пожара и сокращении времени выявления возгорания. Способ обнаружения лесного пожара включает восприятие тепловой энергии, преобразование ее во внутреннюю энергию рабочего тела, сопровождающееся изменением агрегатного состояния рабочего тела, включающим превращение жидкой его фазы в парообразную, последующее преобразование внутренней энергии в электрическую, а затем в электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре. Преобразование осуществляют в три этапа. Тепловую энергию преобразуют во внутреннюю энергию рабочего тела на первом этапе. На втором этапе внутреннюю энергию рабочего тела преобразуют в электрическую при температуре, соответствующей точке кипения жидкой фазы рабочего тела, путем использования энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы, и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь. Преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение проводят на третьем этапе. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения лесного пожара, включающий восприятие тепловой энергии, преобразование ее во внутреннюю энергию рабочего тела, сопровождающееся изменением агрегатного состояния рабочего тела, включающим превращение жидкой его фазы в парообразную, последующее преобразование внутренней энергии в электрическую, а затем в электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре, отличающийся тем, что преобразование осуществляют в три этапа, при этом тепловую энергию преобразуют во внутреннюю энергию рабочего тела на первом этапе, на втором этапе внутреннюю энергию рабочего тела преобразуют в электрическую при температуре, соответствующей точке кипения жидкой фазы рабочего тела, путем использования энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы, и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь, а преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение проводят на третьем этапе.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение агрегатного состояния рабочего тела начинают с температуры, характерной для зоны, непосредственно прилегающей к кромке лесного пожара.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют вещество, вязкость которого уменьшается с увеличением температуры.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что агрегатное состояние рабочего тела изменяют путем превращения твердой его фазы в жидкую, а затем - в парообразную.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по интенсивности превращения жидкой фазы в парообразную.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по продолжительности преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность тепловой энергии кромки лесного пожара определяют по продолжительности электромагнитного излучения.