СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ НИЗОВОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА Российский патент 2009 года по МПК A62C3/02 A01G23/00 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к способам тушения лесных и степных пожаров.

Известны способы локализации лесных пожаров путем создания противопожарных защитных полос. НИИ противопожарной охраны лесов и механизации лесного хозяйства предлагает способ, при котором параллельно фронту пожара прокладывают опорные полосы (вспахивают почву) с последующим зажиганием за ними напочвенных горючих материалов (Авт. св. №1806791, А62С 2/00, 1991). Способ трудоемок и требует наличия дорог у очага пожара.

Известен способ локализации лесных пожаров посредством отжига (выжигания) горючих материалов перед фронтом пожара, в котором используют высокотемпературные газовые струи (Пат. SU №1147413. Способ локализации лесных пожаров, МКИ А62С 1/00. Опубл. 1985.03.30).

Известный способ недостаточно эффективен, т.к. горение в полосе отжига имеет возможность распространяться в сторону оператора пожаротушения.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ с использованием высокотемпературных и низкотемпературных газовых потоков. Способ основан на отжиге лесных горючих материалов (ЛГМ) высокотемпературной газовой струей с воздействием на кромку полосы отжига, ближайшую к оператору, вспомогательной низкотемпературной газовой струей с температурой ниже возгорания ЛГМ (Петраков В.М. и др. Способ локализации лесного пожара. Пат. РФ №2113260, А62С 3/02. Опубл. 1998.06.20). Выбран за прототип.

В способе-прототипе подают в зону отжига ЛГМ высокотемпературную газовую струю от огнемета или реактивный поток газотурбинного двигателя и отжигают материал с образованием негорючей минерализованной полосы. Фиксирование внешней относительно фронта пожара границы полосы отжига осуществляют низкотемпературным газовым потоком. За счет подачи вспомогательной газовой струи прореагировавшие ЛГМ сдувают в сторону фронта пожара. Таким образом, создается опорная (защитная) полоса, препятствующая дальнейшему распространению фронта пожара.

Существенным недостатком способа-прототипа является невозможность осуществить одновременное локальное воздействие на обрабатываемую поверхность рабочей (отжигающей) и вспомогательной (фиксирующей) газовыми струями. Потоки основной и вспомогательной газовых струй за счет турбулентного характера течения перемешиваются. При этом температура высокотемпературной газовой струи падает, поскольку часть ее тепловой энергии расходуется на нагрев вспомогательной газовой струи. Соответственно, эффективность отжига снижается, а затраты на локализацию пожара возрастают. При локализации пожара с помощью отжига ЛГМ граница полосы отжига должна быть четко фиксирована. Использование установки газодинамического тушения (УГДТ) в качестве источника вспомогательной струи, как предлагается в прототипе, не исключает возможность возгорания вспомогательной опорной полосы. Согласно способу-прототипу, газовый поток имеет высокую температуру, до 500-700°С на срезе сопла УГДТ, и эффективно работает лишь при удалении УГДТ на значительное расстояние, обеспечивающее снижение его температуры до значений ниже температуры воспламенения ЛГМ. По существу, фиксирование внешней кромки полосы отжига в способе-прототипе осуществляется путем тушения вторичных очагов горения, вызванных высокотемпературной газовой струей. Процессы формирования полосы отжига и фиксирования ее внешней границы разнесены и во времени, и территориально, что требует участия дополнительного оператора пожаротушения. Кроме того, при фиксировании опорной полосы с использованием газовой струи возможно не только сдувание прореагировавших остатков ЛГМ в сторону фронта пожара, но и "раздувание" их в зоне отжига, например, торфяных участков, т.е. сохраняется вероятность распространения горения ЛГМ в сторону оператора, что снижает безопасность тушения. Эти недостатки следует устранить.

Задачей изобретения является повышение эффективности и безопасности локализации лесного пожара с использованием отжига лесных горючих материалов.

Поставленная задача решается тем, что, в дополнение к основным признакам способа-прототипа, фиксирование упомянутой границы осуществляют одновременно с формированием полосы отжига, причем низкотемпературную струю формируют из жидкости и направляют ее на внешнюю относительно фронта пожара кромку полосы отжига лесных горючих материалов, а угол между геометрическими осями упомянутых струй выбирают из условия, чтобы площади взаимодействия струй с обрабатываемой поверхностью между собой не перекрывались. Это обеспечивает эффективное использование энергии высокотемпературной сверхзвуковой струи и четкую фиксацию внешней, ближней к оператору, границы полосы отжига. Низкотемпературная струя может быть получена, например, из воды с добавками. Поток может быть сплошным, кольцевым или распыленным.

Сущность способа поясняется чертежом. Здесь 1 - обрабатываемая (подстилающая) поверхность ЛГМ; 2 - высокотемпературная сверхзвуковая газовая струя; 3 - осесимметричное или плоское сопло; 4 - конфузорная форсунка; 5 - кольцевая или распыленная струя жидкости; 6 - кромка полосы отжига; 7 - факел пламени отжига; 8 - фронт низового лесного пожара; 9, 10 - геометрические оси струй.

Как видно на схеме, при некотором эффективном значении угла ψ площади воздействия на обрабатываемую поверхность вспомогательной струи s1 и высокотемпературной газовой струи s2 не перекрываются.

Способ реализуют следующим образом.

Формируют сверхзвуковую струю 2 от источника высокотемпературных газов, например, от устройства по свидетельству РФ на полезную модель №12975, струю направляют в зону отжига, поджигают ЛГМ на площади s2 и, перемещая ее параллельно фронту пожара, формируют полосу отжига. Одновременно с помощью конфузорной форсунки 4 формируют струю жидкости 5, которую направляют на поверхность ЛГМ под некоторым углом ψ к струе 2. Воздействуют низкотемпературным потоком на ближнюю к оператору кромку полосы отжига на площади s1 и, перемещая ее параллельно полосе отжига, создают негорючую опорную полосу, фиксируя границу отжига. За счет формирования плотного низкотемпературного потока струи пространственно обособлены и не пересекаются, турбулентное перемешивание отсутствует. Поскольку площади s1 и s2 между собой не перекрываются, тепловая энергия сверхзвуковой высокотемпературной газовой струи полностью тратится на отжиг ЛГМ по направлению к фронту пожара, в то время как струя жидкости орошает ближний слой ЛГМ и препятствует распространению огня в сторону оператора. Эффективность образования минерализованной полосы, а значит и процесса отжига, будет более высокой, чем в способе-прототипе, что может быть доказано термодинамическими расчетами [4] и опытным путем, а сам процесс локализации пожара более безопасен.

С целью увеличения зоны отжига, дополнительно к указанным признакам, высокотемпературная газовая струя может быть сформирована плоской.

Целесообразно заранее знать ориентировочное значение угла между струями как параметр устройства, а не выбирать его в процессе отжига. Расчеты показывают, что при реальных (применимых на практике) расстояниях от источников струй до места обработки можно с приемлемой погрешностью (8-10%) принять, что высота сопел над уровнем почвы примерно одинакова, Н₁=Н₂, а расстояние между соплами много меньше дальнобойности струй. Значение угла ψ, при котором площади s1 и s2 между собой не перекрываются, можно определить из условия ψ≈arccosH/L₁-arccosH/L₂, где Н - средняя высота от обрабатываемой поверхности до сопел источников высокотемпературной Н₁ и низкотемпературной Н₂ струй, Н=0,5 (Н₁+Н₂), L₁, L₂ - дальнобойность высокотемпературной и низкотемпературной струй соответственно. Этот признак не исключает возможности регулировать оптимальный угол на месте пожара.

Пример. Пожар локализуют с помощью передвижной установки, содержащей спаренные источники как высокотемпературной, так и низкотемпературной струй. Струи направляют в зону отжига под углом ψ друг к другу, зависящим от мощности источников. Для оценки значения угла ψ примем температуру газов на выходе из источника Т₀=1610 К, температуру окружающей среды Т_Н=293 К, температуру зажигания ЛГМ Т=693 К, выберем радиус критического сечения сопла R₀=5×10^-3 м. Расстояние L₁, или длина струи, на котором установится температура зажигания, согласно известным термодинамическим формулам для осесимметричных и плоских струй [3], составит L₁=2,5 м. При высоте Н=1,8 м (рост оператора) значение угла ψ=ϕ₁-ϕ₂=47°-37°=10°. Следовательно, если оси струй направлены под углом ψ=10° и более друг к другу, струи не пересекаются, а площади s1 и s2 контакта струй с обрабатываемой поверхностью не перекрываются.

Можно оценить геометрические параметры опорной полосы. Так, ширина полосы, обрабатываемой жидкостью, приближенно равна Δ₁≈r₁+r₂≈0,32 м. Если использовать емкость для воды объемом 0,05 м³ и орошать ЛГМ равномерным слоем глубиной 1·10^-3 м, то длина обрабатываемой полосы ЛГМ составит, без учета испарения, около 150 м. Ширина минерализованной полосы, создаваемой высокотемпературной сверхзвуковой газовой струей для осесимметричного сопла составит Δ₁≈r₃+r₄≈0,49 м. Если же использовать плоское сопло и сформировать струю плоской, ширина полосы зажигания при одинаковых параметрах обработки увеличится до 0,53 м. Более подробные расчеты показывают, что эффективность создания полосы отжига воздействием плоской газовой струи выше по сравнению с осесимметричной струей (громоздкие выкладки опущены). Параметры работы мощной установки отжига, реализующей способ, например, устанавливаемой на вездеходе, определяются аналогично.

Из примера видно, что данный способ локализации можно реализовать на практике, что говорит о соответствии изобретения критерию промышленная применимость. Повышение эффективности отжига ЛГМ при сочетании заявленных признаков не очевидно, что говорит о соответствии технического решения критерию изобретательский уровень. В настоящее время проектируется испытательная установка для реализации способа в натурных условиях.

Источники информации

1. Пат. РФ 2113260, А62С 1/22. Способ локализации лесного пожара / Петраков В.Н., Коняев Е.А., Галаев Д.В. Опубл. Б.И. №17 (ч. II), 20.06.98.

2. Свидетельство РФ на полезную модель №12975, БИ №8, 2000.03.20.

3. Сборник задач по теории горения. Учебное пособие для вузов / Под ред. Померанцева В.В. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 152 с.

4. Гришин A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. 407 с.

Способ локализации низового лесного пожара включает создание полосы отжига лесных горючих материалов перед фронтом пожара и фиксирование ее внешней границы. Отжиг лесных горючих материалов осуществляют высокотемпературной сверхзвуковой газовой струей, которую формируют осесимметричной или плоской. Границу полосы отжига фиксируют низкотемпературной струей, которую формируют из воды и направляют одновременно с высокотемпературной струей на внешнюю относительно фронта пожара кромку полосы отжига. Угол ψ между геометрическими осями струй выбирают из условия, чтобы площади взаимодействия высокотемпературной и низкотемпературной струй с поверхностью лесных горючих материалов между собой не перекрывались, в частности, ψ≥arccosH/L₁-arccosH/L₂, где Н - средняя высота от обрабатываемой поверхности до источников высокотемпературной и низкотемпературной струй; L₁, L₂ - дальнобойность высокотемпературной и низкотемпературной струй соответственно. Способ повышает эффективность и безопасность создания опорной полосы для локализации лесного или степного низового пожара. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ локализации низового лесного пожара, включающий воздействие на поверхность с лесным горючим материалом высокотемпературной сверхзвуковой газовой струей, создание опорной минерализованной полосы отжига и фиксирование границы полосы отжига низкотемпературной струей, имеющей температуру ниже температуры возгорания горючих лесных материалов, отличающийся тем, что фиксирование упомянутой границы осуществляют одновременно с формированием полосы отжига, причем низкотемпературную струю формируют из жидкости и направляют ее на внешнюю относительно фронта пожара кромку полосы отжига лесных горючих материалов, а угол между геометрическими осями упомянутых струй выбирают из условия, чтобы площади взаимодействия струй с обрабатываемой поверхностью не перекрывались между собой.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературную сверхзвуковую газовую струю формируют плоской.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол ψ между геометрическими осями высокотемпературной и низкотемпературной струй выбирают из соотношения:

ψ≥arccosH/L₁-arccosH/L₂,

где Н - средняя высота от обрабатываемой поверхности до источников высокотемпературной и низкотемпературной струй; L₁, L₂ - дальнобойность высокотемпературной и низкотемпературной струй соответственно.