Способ подавления и снижения интенсивности пожара в изолированной системе отсеков Российский патент 2024 года по МПК A62C2/00 A62C3/07 

Изобретение относится к технике противопожарной защиты в системе помещений (отсеков), изолированных от окружающей среды, преимущественно кораблей, подводных лодок, космических аппаратов и т.п. Оно может быть использовано для снижения интенсивности и подавления возгорания или пожара в герметизируемом помещении (отсеке), например, в отсеке подводной лодки (ПЛ) или космического аппарата (КА). Применение изобретения будет способствовать повышению эффективности организации и проведения мероприятий по борьбе с возгораниями или пожарами на объектах, имеющих изолированную (от окружающей среды) систему смежных отсеков с возможностью герметизации каждого от смежных.

Известен способ подавления и снижения интенсивности пожара, заключающийся в изоляции очага горения (горящего аварийного отсека) от воздуха (газовоздушной среды смежных помещений или окружающей атмосферы) [1, 2]. Недостатком этого способа является то, что не оговаривается, поэтому и не совсем ясно, как конкретно, в какой момент, в какой степени и при каких условиях должна выполняться герметизация горящего аварийного отсека от смежных отсеков или окружающей атмосферы.

Наиболее близким техническим решением является способ подавления и снижения интенсивности пожара, заключающийся в герметизации аварийного (горящего) отсека от других отсеков или окружающей среды [3]. Предлагаемая герметизация аварийного (горящего) отсека приводит к тому, что по мере горения (развития пожара) концентрация кислорода в этом отсеке снижается. В результате такого снижения интенсивность горения (пожара) уменьшается, а при достижении этой концентрации критических значений (12-13%) происходит самопотухание (самотушение) пожара в аварийном отсеке (АО).

Однако, применение данного способа, то есть немедленная и полная герметизация аварийного отсека после возникновения пожара, приводит к тому, что по мере развития горения и роста температуры газовоздушной среды (ГВС) в аварийном отсеке начинает расти и давление. Повышенное давление ГВС, во-первых, приводит к повышению скорости выгорания горючих материалов и соответственно увеличению интенсивности и продолжительности процесса горения в АО, а во-вторых, за счет возникшего избыточного давления в АО растет вероятность разгерметизации и распространения дыма, а также газообразных и токсичных продуктов горения в смежные отсеки.

Цель изобретения - снижение интенсивности возникшего возгорания (пожара), уменьшение продолжительности его свободного развития, а также снижение вероятности распространения токсичных газов (продуктов горения) в смежные отсеки.

Поставленная цель достигается тем, что

измеряют и контролируют давление газовоздушной среды (ГВС) в каждом из отсеков, используя соответствующие датчики и приборы измерения и контроля давления;

после возникновения и обнаружения возгорания в аварийном отсеке (АО) выполняют его частичную и дозированную герметизацию от смежных отсеков;

после снижения давления ГВС в аварийном отсеке до уровня давления в смежных отсеках производят полную герметизацию аварийного отсека;

при этом, частичную и полную герметизацию осуществляют посредством перепускных клапанов, размещенных в нижних частях переборок между отсеками и выполненных с возможностью их открытия и закрытия;

максимальную площадь проходного сечения каждого перепускного клапана S_max между смежным отсеками определяют по формуле:

где K=2,98⋅10^-4 - параметр, имеющий размерность 1/м;

S_max - максимальная площадь проходного сечения перепускного клапана между смежным отсеками, м²;

V_i, V_i+1 - объемы смежных отсеков, м³.

i - номер отсека;

n - общее количество смежных отсеков.

Технический результат изобретения достигается тем, что дополнительно во всех отсеках измеряют и контролируют давление газовоздушной среды (ГВС), а после возникновения и обнаружения возгорания (пожара) в одном из отсеков вначале выполняют его частичную и дозированную герметизацию путем закрытия межотсечных дверей и других открытий, и открытием перепускных устройств (клапанов), размещенных в нижних частях межотсечных переборок, тем самым обеспечивая стравливание (перетекание) части свежего воздуха из аварийного (горящего) отсека и снижения растущего давления в нем, а затем, после выравнивания давления между аварийным и смежным отсеком (или отсеками), осуществляют закрытие перепускного устройства (клапана), тем самым выполняя полную герметизацию аварийного отсека и способствуя тем самым достижению поставленной цели изобретения - снижению интенсивности возникшего возгорания (пожара), уменьшению продолжительности его свободного развития, а также снижению вероятности распространения токсичных газов из аварийного в смежные отсеки.

Некоторые дополнительные пояснения к заявляемому изобретению и формуле (1). Максимальная (критическая) площадь сечения пропускного клапана S_max между отсеками должна быть определена таким образом, чтобы, с одной стороны, не допустить большого перепада давления между отсеками (так как это приведет к снижению эффективности предлагаемого способа подавления пожара в АО), а с другой - предотвратить обратный переток воздуха (из неаварийного в горящий отсек) за счет меньшего давления в АО, иными словами, поддерживать минимальное избыточное давления воздуха в АО в сравнение с смежными отсеками в течение всего периода развития пожара.

Для расчета такой площади S_max нами проведено исследование процесса перетекания воздуха (ГВС) через отверстие в изолированной (от окружающей атмосферы) системе двух отсеков при перепаде давления между ними. Пусть имеется замкнутая (изолированная от окружающей среды) система двух отсеков: аварийного (АО) объемом V_a и смежного с ним (СО) объемом V_c, заполненных газом (воздухом). Первоначально между отсеками существует перепад давления, равный Δр₀=р_а0-р_с0. Поскольку между отсеками имеется отверстие площадью S, то начинается процесс перетекания воздуха из аварийного отсека (АО) с начальным давлением р_а0 в смежный отсек (СО) с начальным давлением р_с0. Процесс перетекания будет происходить до тех пор, пока давления в обоих отсеках не выровняется. Необходимо найти время выравнивания давления между отсеками τ.

При решении данной задачи примем следующие основные допущения:

• газовоздушная среда (ГВС) в отсеках - это идеальный газ, перетекание которого происходит без фазовых переходов, и его термодинамические параметры могут быть описаны уравнениями Клапейрона-Менделеева;

• изменение основных термодинамических параметров в отсеках при перетекании ГВС соответствует адиабатическому процессу, а потери энергии потока через отверстие площадью S могут быть учтены коэффициентом расхода отверстия ζ;

• основной причиной, вызывающей процесс перетекания газа является разность давлений в отсеках. При этом, плотность ГВС, так же, как и температура в обоих отсеках в течение всего процесса перетекания газа остается одинаковой.

При адиабатическом истечении газа из сосуда большого размера с начальным давлением р₀ и плотностью ρ₀ через отверстие малого сечения скорость такого истечения можно рассчитать следующим образом [5]:

где p₁, ρ₁ - давление и плотность газа в окружающей среде, Па, кг/м³;

k - показатель адиабаты.

Уравнение (2) получено на основе преобразования уравнения Бернулли для двух сечений: в большом резервуаре и в отверстии при условии, что потенциальной энергией газа «положения» gz можно пренебречь в виду его малости в сравнение с другими членами уравнения Бернулли [5]. По нашему мнению, оно может быть использовано и для оценки скорости перетекания газа между отсеками в нашей задаче, поскольку объемы отсеков могут рассматриваться как большие в сравнение с площадью отверстия перетекания. Иными словами, скорости передвижения газа в объемах отсеков значительно меньше скорости перетекания в отверстии. С учетом сказанного для нашего случая скорость перетекания может быть записана так:

где ρ_а, ρ_с - плотности воздуха в отсеках, кг/м³.

При пожарах в герметичном (замкнутом) объеме увеличение избыточного давления в нем (в сравнение с атмосферным) обычно не превышает (0,1-0,5)⋅10⁵ Па [6]. Это означает, что и возможный перепад давления Δр=р_а-р_с между аварийным (АО) и смежным отсеком (СО) в нашей задаче так же не будет превышать этих значений. Кроме того, учитывая, что причиной нарастания давления в АО отсеке при пожаре является нагревание (повышение температуры) ГВС вследствие горения и увеличения средней скорости движения молекул газа, то можно положить, что плотность ГВС в АО практически не изменяется и примерно равна начальной плотности в обоих отсеках ρ₀. То есть можно положить следующее:

С учетом вышеизложенного скорость перетекания газа между отсеками через отверстие будет равна:

Пусть за бесконечно малый промежуток времени dt из отсека V_a в V_c перетечет газ массой dm. При этом давление в объеме V_a понизится на dp_a, а в объеме V_c. - повысится на dp_c. Тогда, зная скорость перетекания u, можно вычислить мгновенный массовый расход газа через отверстие площадью S:

Если далее принять, что для перетекшей массы газа dm в обоих объемах выполняются уравнения состояния Клапейрона, то можно записать следующее:

где μ - молярная масса газа, кг/Моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(К×Моль);

Т - температура в отсеках, К.

Из уравнения (6) вычтем (7), в результате получим:

Разделив обе части уравнения (9) на dt, можно записать:

С учетом (6) последнее уравнение (10) можно представить в следующем виде:

или:

Как и ранее, текущий перепад давления между отсеками обозначим как Δр=(р_а-р_с). Тогда (11) примет вид:

Пусть в начальный момент времени (t=0) перепад давления между отсеками был равен Δр₀. В момент выравнивания давления между отсеками (t=τ) этот перепад будет равен нулю: Δр=0. Если проинтегрировать обе части уравнения (12) в указанных пределах, то получим:

После вычисления обоих интегралов уравнения (13) можно получить следующее выражение:

Из последнего выражения получим:

При выводе уравнения (14) нами не были учтены потери при перетекании газа. С учетом этих потерь, скорость перетекания (определяемая по формуле 5) так же как и расход dm/dt (определяемый из выражения 6) будут на самом деле несколько меньше. Чтобы учесть это обстоятельство, так же как и в случае перетекания жидкости [7], введем понятие коэффициента расхода отверстия ζ. Тогда уравнения (6) и (14) соответственно примут вид:

Если между отсеками перетекает воздух при нормальной температуре (T=293 К; k=1,4; R=8,3145 Дж/(К×Моль); μ=0,029 кг/моль; ρ₀=1,205 кг/м³), то выражение (16) для расчета времени выравнивания давления между отсеками примет вид:

где - коэффициент, зависящий от термодинамических и физических свойств ГВС, имеющий размерность

Если, кроме того, задаться минимальными временем выравнивания давления между отсеками (τ5 сек) и перепадом давления между отсеками (Δр₀0,1 кгс/см²≈10⁴ Па), а также принять, что ζ≈0,55, то из выражения (17) можно получить формулу (1) для оценки максимальной площади пропускного отверстия S_max, а именно:

где - параметр, зависящий от начального перепада и времени выравнивания давления между отсеками, а также физических и термодинамических свойств ГВС. Имеет размерность [K]=1/м.

Если общее количество отсеков в изолированной системе более двух (например, оно равно n) то, используя выражение (18), можно получить формулу (1) для расчета максимальной площади проходного сечения перепускного клапана S_max между двумя смежными отсеками с номерами i и i+1 (где i=1, 2, 3…n-1), а именно:

где K=2,98⋅10^-4 - параметр, 1/м.

S_max - максимальная площадь проходного сечения перепускного клапана между смежным отсеками, м²;

V_i, V_i+1 - объемы двух смежных (i-го и i+1-го) отсеков, м³;

i - номер отсека (i=1, 2, 3…n-1);

n - общее количество смежных отсеков.

На фиг. представлен пример реализации предложенного способа подавления и снижения интенсивности пожара в изолированной системе отсеков. На примере подводной лодки показан ее легкий корпус 1 и прочный корпус 2. Последний представляет собой систему шести отсеков 3-8 (n=6), каждый из которых может быть загерметизирован относительно других с помощью переборочных дверей 9-13, расположенных на межотсечных переборках 14. В каждом из отсеков 1-6 установлены датчики давления 15, от которых проложены линии связи 16, соединяющие их с коммутирующим, измерительным и преобразующим устройством 17 (интерфейсом), который подключен к бортовому компьютеру 18. В нижних частях на каждой из межотсечных переборок 14 установлены перепускные клапаны 19-23. При этом, максимальная площадь проходного сечения каждого перепускного клапана зависит от объема смежных отсеков (например, i-ого и (i+1)-ого), между которыми он устанавливается, и определяется по формуле (1), а именно:

где K=2,98⋅10^-4 - параметр, 1/м.

V_i, V_i+1 - объемы двух смежных (i-го и i+1-го) отсеков, м³;

i - номер отсека (i=1, 2, 3…5).

В исходном состоянии (в условиях отсутствия возгорания или пожара) межотсечные (переборочные) двери 9-13 могут быть закрыты или открыты, а перепускные клапана 19-23 - закрыты. Описанная выше система измерения (контроля) давления 15-18 в каждом из отсеков 3-8 постоянно находится в работе.

В случае возникновения пожара в одном из отсеков (например, в отсеке 4) переборочные двери 10-11 герметично закрываются, а один из перепускных клапанов, установленных на межотсечных переборках отсека 4 (например, клапан 19) открывается. В результате возникновения пожара и повышения температуры в аварийном отсеке 4 происходит нарастание давление ГВС. Вследствие разницы давлений часть ГВС (практически свежий воздух) из аварийного отсека 4 начинает перетекать через клапан 19 в смежный отсек 3. Поэтому рост давления в аварийном отсеке замедляется, способствуя подавлению пожара и снижению его интенсивности, а в смежном отсеке 3 давление несколько возрастает.

По мере развития пожара и снижения концентрации кислорода воздуха в аварийном отсеке 4 температура, а значит и давление в нем снижаются. (При этом давление снижается в том числе и благодаря перетеканию воздуха в смежный отсек 3). По мере снижения давления в аварийном отсеке 4 до давления, равного давлению в смежном отсеке 3, клапан 19 закрывается, тем самым обеспечивая полную герметизацию аварийного отсека 4, что способствует дальнейшему процессу снижения интенсивности пожара или его самопотуханию.

Литература

1. Информационный портал - охрана труда и БЖД. Способы подавления процесса горения. Общие сведения о средствах пожаротушения.

2. Тактика борьбы с судовыми пожарами. https://mirmarine.net/component/content/article/1006-taktika-borby-s-sudovymi-pozharami=138.

3. Действия личного состава по борьбе с пожарами в отсеках подводной лодки, п. 90. https://Cyberpedia.su/25xdc5f.html

4. Схемы подводных лодок в разрезе. Как работают атомные подводные лодки. Погружение и всплытие. И http://ozerki-pharm.ru/shemy-podvodnyh-lodok-v-razreze-kak-rabotayut-atomnye-podvodnye/

5. Зезин В.Г. Гидрогазодинамика. Уч. Пос. ЮУрГУ, Челябинск, 2010, 130 с.

6. Радзиевский С.И., Хнычкин В.М. Пожаробезопасность кораблей. М.: Судостроение, 1987 - 200 с.

7. Жуков Н.П. Гидрогазодинамика. Уч. пос., ТГТУ, Тамбов, 2011, 82 с.

Изобретение относится к технике противопожарной защиты, а именно к способу подавления и снижения интенсивности пожара в изолированной системе отсеков путем герметизации аварийного отсека от смежных отсеков. Способ характеризуется тем, что измеряют и контролируют давление газовоздушной среды (ГВС) в каждом из отсеков, используя соответствующие датчики и приборы измерения и контроля давления; после возникновения и обнаружения возгорания в аварийном отсеке выполняют его частичную и дозированную герметизацию от смежных отсеков; после снижения давления ГВС в аварийном отсеке до уровня давления в смежных отсеках производят полную герметизацию аварийного отсека; при этом частичную и полную герметизацию осуществляют посредством перепускных клапанов, размещенных в нижних частях переборок между отсеками и выполненных с возможностью их открытия и закрытия; максимальную площадь проходного сечения каждого перепускного клапана S_max между смежными отсеками определяют по формуле

где K=2,98⋅10^-4 - параметр, 1/м. S_max - максимальная площадь проходного сечения перепускного клапана между смежным отсеками, м²; V_i, V_i+1 - объемы смежных (i-го и i+1-го) отсеков, м³; i - номер отсека (i=1, 2, 3…n-1); n - общее количество смежных отсеков. Изобретение может быть использовано для снижения интенсивности и подавления возгорания или пожара в герметизируемом помещении (отсеке), например в отсеке подводной лодки (ПЛ) или космического аппарата (КА). Применение изобретения будет способствовать повышению эффективности организации и проведения мероприятий по борьбе с возгораниями или пожарами на объектах, имеющих изолированную систему герметизируемых помещений или отсеков. 1 ил.

Способ подавления и снижения интенсивности пожара в изолированной системе отсеков путем герметизации аварийного отсека от смежных, отличающийся тем, что измеряют и контролируют давление газовоздушной среды (ГВС) в каждом из отсеков, используя соответствующие датчики и приборы измерения и контроля давления;

после возникновения и обнаружения возгорания в аварийном отсеке выполняют его частичную и дозированную герметизацию от смежных отсеков;

после снижения давления ГВС в аварийном отсеке до уровня давления в смежных отсеках производят полную герметизацию аварийного отсека;

при этом частичную и полную герметизацию осуществляют посредством перепускных клапанов, размещенных в нижних частях переборок между отсеками и выполненных с возможностью их открытия и закрытия;

максимальную площадь проходного сечения каждого перепускного клапана S_max между смежным отсеками определяют по формуле:

где K=2,98⋅10^-4 - параметр, 1/м.

S_max - максимальная площадь проходного сечения перепускного клапана между смежным отсеками, м²;

V_i, V_i+1 - объемы смежных (i-го и i+1-го) отсеков, м³;

i - номер отсека (i=1, 2, 3…n-1);

n - общее количество смежных отсеков.