Область техники
Заявленное изобретение относится к области объемного аэрозольного пожаротушения, в частности к твердотопливным аэрозолеобразующим составам (АОС), и может быть использовано для подавления очагов возгорания в герметичных и условно герметичных, и негерметичных объемах.
Уровень техники
Уровень техники характеризует аэрозолеобразующий пиротехнический состав по заявке RU 2013151115, опубл. 27.05.2015. Данный аэрозолеобразующий пиротехнический состав для объемного тушения пожаров в замкнутом объеме включает нитрат калия, идитол и в качестве газообразователя гетерогенную смесь порошков йодида аммония и тиомочевины в соотношении 3:1 при следующем содержании компонентов, мас. %:
Этот аэрозолеобразующий пиротехнический состав характеризуется функциональной безопасностью и повышенной эффективностью объемного тушения пожаров в закрытых помещениях. Использование в качестве газообразователя гетерогенной смеси йодида аммония с тиомочевиной, которые при горении не образуют токсичных соединений в генерируемой тушащей смеси, повысило функциональность аэрозолеобразующего состава.
К недостаткам из практики применения состава по прототипу выявилось, что:
- необходимая для подавления пожара в закрытом защищаемом объеме концентрация ингибиторов горения формируется замедленно из-за его пламенного горения, в результате чего снижается выход в аэрозольное образование функциональной дисперсной фазы, ухудшая эффективность действия по назначению;
- в качестве ингибитора горения в процессе химической реакции генерируются нитриты калия и оксиды калия, являющиеся достаточно слабыми ингибиторами горения в ряду эффективности веществ, имеющих ингибирующие свойства к горению;
- низкое содержание газообразователя не позволяет создать достаточный поток газовой фазы для быстрого переноса и перемешивания ингибиторов горения в твердой фазе, что существенно снижает эффективность состава и имеет не высокие флегматизирующие свойства;
- отсутствуют катализаторы в составе, обеспечивающие стабильное горение с оптимальной скоростью.
Для наглядности существенные отличия по варианту состава в сравнении с предлагаемым составом в качестве изобретения приведены в таблице № 1.
Таблица № 1
По уровню техники характеризует также аэрозолеобразующий пиротехнический состав по патенту RU 2605576, опубл. 20.12.2016. Данный аэрозолеобразующий пиротехнический состав для тушения пожаров в закрытых объемах, включающий нитрат калия, идитол, йодид аммония и тиомочевину и, согласно изобретению, дополнительно содержит уротропин, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышенную эффективность пожаротушения за счет более динамичного достижения в защищаемом объеме необходимой концентрации ингибиторов горения для подавления очагов возгорания.
В предложенном составе соотношение компонентов термической основы, близкое к стехиометрическому, практически соответствует нулевому кислородному балансу, что обеспечивает полное окисление реагентов и газообразование по развитой поверхности горения зарядов, увеличивающие удельный выход генерируемой газоаэрозольной тушащей смеси.
Дополнительное введение в структуру пожаротушащего пиротехнического состава уротропина, оптимизированной массой 2÷3%, в совокупности с тиомочевинной (активатором горения) обеспечило повышение скорости горения заряда до 3,8 мм/с при сопутствующем дополнительном газообразовании экологически безвредных CO2 и паров H2O, которые способствуют более быстрому выносу генерируемой дисперсной фазы функционального аэрозоля к очагу возгорания.
Техническим результатом этого является сокращение времени для достижения в защищаемом объеме огнетушащей концентрации активных ингибиторов горения, прерывающих цепные реакции окисления, и, следовательно, повышая эффективность подавления очагов возгорания.
К недостаткам из практики применения состава по прототипу выявилось, что:
- в качестве ингибитора горения в процессе химической реакции генерируются нитриты калия и оксиды калия, являющиеся достаточно слабыми ингибиторами горения в ряду эффективности веществ имеющих ингибирующие свойства к горению;
- применение уротропина повышает гигроскопичность состава, что при эксплуатации в сложных условиях увеличивает риск снижения эффективности работы состава;
- относительно невысокое содержание газообразователя не позволяет создать достаточный поток газовой фазы для быстрого переноса и перемешивания ингибиторов горения в твердой фазе, не позволяет создать противодавление в негерметичных объемах для предотвращения притока кислорода, создает несущественный флегматизирующий эффект при подавлении возгораний, что существенно снижает эффективность состава;
- в качестве ингибитора горения в процессе химической реакции генерируются нитриты калия и оксиды калия, являющиеся достаточно слабыми ингибиторами горения в ряду эффективности веществ, имеющих ингибирующие свойства к горению;
- отсутствуют катализаторы в составе, обеспечивающие стабильное горение с оптимальной скоростью.
Для наглядности существенные отличия по варианту состава в сравнении с предлагаемым составом в качестве изобретения приведены в таблице № 2.
Таблица №2
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению (прототипом) является «Аэрозолеобразующий огнетушащий состав на основе сахаридов» (патент RU 2740461 от 18.01.2019), содержащий сорбит - 15÷40, дициандиамид - 2÷5, оксид железа - 0,1÷5, церезин или стеарат меди 0,1÷1,0, централит и/или дифениламин в количестве, не превышающем 0,5 мас. % - 0,1÷1,0, нитрат калия - остальное.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- низкое содержание газообразователя (дициандиамида), что не позволяет создать достаточный поток газовой фазы для быстрого переноса и перемешивания ингибиторов горения в твердой фазе, имеет минимальный флегматизирующий эффект при подавлении возгораний, не способен создавать противодавление в условно герметичных и негерметичных объемах для предотвращения притока дополнительного кислорода, что существенно снижает эффективность состава;
- в качестве ингибитора горения в процессе химической реакции генерируются нитриты калия и оксиды калия, являющиеся достаточно слабыми ингибиторами горения в ряду эффективности веществ имеющих ингибирующие свойства к горению;
- применение сорбита или смеси сорбита с полисахаридами или смеси сорбита с моносахаридами резко повышает гигроскопичность состава, что фактичекски делает состав непригодным к эксплуатации вне влагозащищенных объемов или в устройствах, применяемых во влажной среде.
- наличие в составе присадок - стабилизаторов, антиоксидантов, хоть и замедляет, но не исключает достаточной деградации состава что, как показала практика, со временем существенно влияет на огнетушащую эффективность состава.
Для наглядности существенные отличия в сравнении с предлагаемым составом в качестве изобретения приведены в таблице №3.
Таблица №3
Техническая проблема заключается в преодолении отмеченных выше недостатков аналогов, повышении оперативности первичного пожаротушения с увеличением эффективности воспрепятствования распространения огня в замкнутом или условно замкнутом пространстве в частности, таком как электрощит, подкапотное пространство автомобиля, корпус аппаратуры авиатехники.
Технический результат заключается в повышении огнетушащей эффективности АОС (менее 0,025 г/м3) и увеличении скорости подавления очагов возгорания в замкнутом или условно замкнутом пространстве в частности, таком как электрощит, подкапотное пространство автомобиля, корпус аппаратуры авиатехники.
Раскрытие изобретения
Указанный технический результат обеспечивается в аэрозолеобразующем огнетушащем составе (АОС), содержащем горючее-связующее, газообразователь в следующих соотношениях, на 100% массы:
Дополнительной особенностью является то, что в качестве газообразователя состав содержит нитрогуанидин, или гуанидин нитрат, или триаминогуанидин нитрат, или дициандиамид, или меламин в смеси с нитрогуанидином, или меламин в смеси с нитратом гуанидина, или меламин в смеси с триаминогуанидин нитратом, или меламин в смеси с дициандиамидом.
Дополнительной особенностью является то, что в качестве горючего-связующего состав содержит шеллак, или поливинилбутираль, или нитроцеллюлозу, или ее раствор в виде НЦ лака, или парафин, или стеарин, или раствор идитола.
Дополнительной особенностью является то, что в качестве добавки, генерирующей ингибиторы горения, состав содержит гидротерефталат калия.
Дополнительной особенностью является то, что в качестве катализатора состав содержит ферроцен или оксиды металлов.
Таким образом, указанный технический результат обеспечивается двумя основными факторами:
1. Смесью веществ, генерирующих ингибиторы горения, в результате применения которой во время химической реакции на выходе образуются ингибиторы горения в виде хлорида лития (LiCl), или йодида натрия (NaI), или бромата натрия (NaBr), или хлорида калия (KCl), или их смесей, что позволяет существенно увеличить эффективность подавления возгораний. Общеизвестно, что существует доказанный ряд ингибиторов горения (Таблица № 5).
Ингибиторы горения расположены по степени убывания от наиболее эффективных до наименее эффективных. В случае целенаправленного применения в огнетушащем составе исходных веществ, способных по средствам химических реакций генерировать наиболее эффективные ингибиторы горения, возможно существенно увеличить эффективность тушения возгораний с помощью конденсированной фазы горения аэрозолеобразующего состава.
Таблица №5
2. Использованием большого количества газообразователя, совмещенного с высокой скоростью горения состава (2,9÷4,8 мм/сек), позволяет в защищаемом объеме быстро создать высокую концентрацию равномерно распределенных ингибиторов горения и получить повышенный эффект от флегматизации химической реакции горения. Высокоскоростное насыщение газовой фазой защищаемого объема и создание избыточного давления позволяет компенсировать эффект поступления кислорода в условно герметичных и негерметичных объемах, связанный с конвекционным поступлением свежего воздуха в защищаемый объем, позволяя создать встречное противодавление в условно герметичных объемах. Подобный подход при проведении сравнительных огневых испытаний с уже применяемыми аэрозолеобразующими составами (АОС) показал существенное, в 2÷3 раза, увеличение эффективности тушения защищаемых герметичных, условно герметичных и негерметичных объемов за счет объединения свойств ингибиторов горения и физических эффектов создания противодавления с улучшенной флегматизацией реакции горения.
Базовый состав предлагаемого семейства АОС содержит горючее-связующее - например, шеллак, или, например, поливинилбутираль, или, например, нитроцеллюлозу, или, например, раствор нитроцеллюлозы в виде НЦ лака, или, например, раствор идитола, газообразователь, например, нитрогуанидин, или, например, дициандиамид, или, например, гуанидин нитрат, или, например, триаминогуанидин нитрат или, например, их смеси с меламином, окислитель №1 - нитрат щелочного металла, например, нитрат натрия, окислитель №2, например, перхлорат калия, катализатор, например, ферроцен, дополнительно вводится добавка, генерирующая ингибиторы горения, например, гидротерефталат калия.
Входящие в состав компоненты взяты в следующих соотношениях, на 100% массы:
Повышенное количество газообразователя нитрогуанидина, или дициандиамида, или гуанидин нитрата, или триаминогуанидин нитрата, или их смеси с меламином позволяет в сочетании с катализатором и добавкой, генерирующей ингибиторы горения, обеспечить высокоскоростную генерацию газовой фазы для максимально быстрого заполнения защищаемого объема конденсированной фазой в виде ингибитора горения и создания противодавления, прекращающего приток дополнительного кислорода во время горения в условно герметичных или негерметичных объемах, а также усиливает флегматизацию процесса горения, что благоприятно сказывается на эффективности подавления возгораний. При содержании газообразователя менее 10 мас. % эффект флегматизации резко уменьшается, а эффективность подавления возгорания снижается до предельных значений. Так же снижаются скорость и температура горения термической основы, создавая недостаток теплотворной способности и газогенерирования для генерирования тушащей смеси.
При содержании газообразователя более 22 мас. % генерация газа начинает существенно превалировать над генерацией конденсированной фазы в виде ингибиторов горения, так как добавка, генерирующая ингибиторы горения, также является эффективным газогенератором, дополняющим газогенерацию основного газообразователя, что влияет на комплексное снижение огнетушащих свойств АОС, также происходит неполное окисление углерода из-за отрицательного кислородного баланса с существенным образованием угарного газа, оказывающего характерные негативные воздействия на организм человека.
Включенный в состав ферроцен применен в качестве катализатора.
В качестве катализаторов могут так же выступать химические соединения металлов или их смесь. При содержании катализатора менее 0,1 мас. % его эффективность в АОС становится несущественной и не влияет на формирование устойчивого горения состава. При содержании катализатора более 5,0 мас. % прироста эффективности горения состава не наблюдается, и дальнейшее увеличение массовой доли катализатора не имеет смысла.
В качестве горюче-связующего используют нитроцеллюлозу, или ее раствор в виде НЦ лака, или шеллак, или поливинилбутираль, или парафин, или стеарин, или раствор идитола. При содержании горюче-связующего менее 1,0 мас. % его количества становится недостаточно для получения приемлемых технологических характеристик, получаемых по твердости и устойчивости к удару функциональных шашек АОС, что влияет на возможность изготовления прессованных зарядов как таковых. При содержании горюче-связующего более 8,0 мас. % существенного улучшения твердости и устойчивости к удару у прессованных функциональных шашек не наблюдается, но при этом снижается содержание по массе газообразующего состава или смеси веществ, генерирующих ингибиторы горения, что в общем снижает эффективность предлагаемого состава.
В качестве окислителя № 1 используют нитрат щелочного металла. Содержание нитрата щелочного металла менее 45,0 мас. %, даже при добавлении окислителя № 2 в виде перхлората калия, не позволяет создать необходимый кислородный баланс реакции и получить устойчивое горение смеси. Содержание нитрата щелочного металла более 65,0 мас. % при добавлении окислителя № 2 в виде перхлората калия создаёт положительный кислородный баланс, приводя к пламенному горению состава и избыточной генерации кислорода АОС в защищаемом объеме, что отрицательно влияет на эффективность подавления возгораний АОС.
В качестве окислителя № 2 используют перхлорат калия. Содержание перхлората калия менее 10 мас. % не позволяет интенсифицировать горение добавки, генерирующей ингибиторы горения в виде гидротерефталата калия. Содержание перхлората более 25 мас. % уже существенно не влияет на приращение скорости горения добавки, генерирующей ингибиторы горения в виде гидротерефталата калия, и является технологически необоснованным.
Стоит особенно отметить эффективность использования предлагаемых составов в системах тушения электрических шкафов, электрических розеток и подрозетников, распределительных коробок, серверных стоек, подкапотных пространств автомобильного транспорта и специальной техники, тушении технологических отсеков и панелей управления автомобильной, специальной и авиационной техники.
Особенность состава предполагает использование его в устройствах, работающих в относительно небольших условно герметичных или негерметичных объемах в тяжелых климатических условиях с получением эффекта высокоскоростного тушения защищаемого объема при создании вытесняющего давления, существенно ускоряющего процесс подавления возгораний.
Предлагаемые составы, имея повышенный объем газовой фазы, могут быть использованы в качестве вытесняющего агента в порошковых и жидкостных системах пожаротушения, усиливая эффект подавления возгораний.
Горение пиротехнического состава происходит динамично в объеме заряда, при интенсификации газообразования рабочего тела для транспортирования генерируемых ингибиторов горения, в том числе и конденсированных частиц рабочего аэрозоля, в очаг возгорания, который активно подавляется.
Ниже приведен технологический пример выполнения способа изготовления АОС, который имеет чисто иллюстративную цель и не ограничивает объем притязаний совокупности существенных признаков формулы.
Количественное соотношение компонентов предложенного аэрозолеобразующего пиротехнического состава, в пределах оптимизированных диапазонов, было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и подтверждено результатами экспериментальной проверки функционирования опытных образцов зарядов по назначению, которые показали достижение улучшенных характеристик по эффективности пожаротушения в условно герметичных объемах.
Далее в описании представлены сведения в отношении осуществления аэрозольного огнетушащего состава и подтверждения достижения указанного технического результата.
Осуществление изобретения
В соответствии с вариантом изготовления АОС, далее приведены сведения о преимущественном варианте осуществления АОС, не предназначенном для ограничения объема испрашиваемой охраны, определенным признаками независимого пункта формулы.
АОС, приготавливается на промышленном оборудовании по следующей технологической схеме последовательных операций смешивания компонентов в доверительном диапазоне их содержания, обеспечивающим заданные потребительские характеристики.
Для приготовления АОС по изобретению используют:
Предварительно окислитель №1, например, нитрат натрия отбирают с размером частиц 45±15 мкм и сушат до содержания влаги не более 0,08 мас. % для исключения ее флегматизирующего действия при окислении горючего, чтобы стабилизировать горение АОС.
Газообразователь, например, нитрогуанидин отбирают с размером частиц 100±15 мкм при содержании влаги не более 0,8 мас. %. Селективный отбор мелкодисперсного порошкового нитрогуанидина необходим для его равномерного распределения в составе при смешивании компонентов.
Соотношение компонентов состава для смешивания выбирают согласно заявленным диапазонам их содержания.
В навеску окислителя №1, например, нитрата натрия, засыпают окислитель №2, например, перхлорат калия, добавку, генерирующую ингибиторы горения, также добавляют горючее-связующее, например, раствор идитола и перемешивают в течение 60÷120 минут при температуре 40÷60°С, обеспечив равномерное их распределение, при максимальном контакте активных компонентов термической основы в форме автономных кластеров.
После этого в смеситель добавляют порошки газообразователя, например, нитрогуанидина и катализатора, например, ферроцена, которые перемешивают в течение 20÷30 минут, формируя конгломераты с покрытием из горючего и окислителя, налипающие на поверхности кластеров термической основы в непосредственном примыкании по развитой поверхности химического взаимодействия при горении, которые характеризуются хорошей воспламеняемостью и стабильным горением.
Приготовленную смесь далее гранулируют протиранием в смесителе через сетку с ячейками 1÷2 мм. Затем гранулированный материал раскладывают на перфорированных лотках слоем 2÷3 см для провяливания, совмещенного с сушкой при температуре 35÷45°С. При этом контролируют содержание в составе летучих веществ и влаги не более 0,6 мас.%. Процесс сушки гранулированного материала длится 2÷3 часа. Из приготовленного материала объемным дозированием формируют заряды методом экструзии, глухого или проходного формования.
При проведении экспериментов, сопровождавшихся огневыми испытаниями, проводилась оценка комплексной эффективности подавления возгораний на типовом очаге ТП-4, согласно ГОСТ Р 50898-96 с некоторыми изменениями. Очаг ТП-4 был помещен в электротехнический щит с внутренним объемом 130 литров, в котором на боковых и на верхней стенках были вырезаны отверстия прямоугольной формы площадью 1500 мм2 каждое. В защищаемый объем помещался испытуемый состав. После поджога очага ТП-4, дверца шкафа закрывалась, а состав инициировался электровоспламенителем.
Вариации компонентов АОС на 100% массы были сведены в таблицу.
Состав № 1 имел высокую скорость горения, порядка 6,2-7,3 мм/сек, что не приемлемо в АОС. Подобный результат был получен вследствие повышенного содержания добавок, генерирующих ингибиторы горения. Генерация дополнительного газа была относительно невысокой, что не позволило правильно во всем объеме сформировать огнетушащую концентрацию ингибиторов горения. Результат - модельный очаг ТП-4 по составу № 1 потушен АОС массой 4,2 грамма.
Состав № 2 имел высокую эффективность, хорошие характеристики прессования состава, но все же был менее эффективен при тушении модельного очага, чем состав № 3. Эффективность состава увеличена за счет увеличения газогенерирующей добавки, что позволило создать лучшую дисперсность ингибитора горения и быстрее заполнить защищаемый объем огнетушащей аэрозолью. Так же большое количество генерируемого газа позволило создать повышенное давление в защищаемом шкафу и выдавить часть кислорода, находящегося внутри защищаемого объема. Модельный очаг ТП-4 в защищаемом объеме потушен АОС массой 3,1 грамма. Результат - модельный очаг по составу № 2 потушен.
Как показали эксперименты, наилучшими характеристиками по эффективности тушения модельного очага ТП-4 является состав № 3. Он отличается высокой устойчивой скоростью горения, порядка 3,7-4,5 мм/сек, высоким уровнем генерации газовой фазы и достаточным содержанием конденсированной фазы, состоящей из ингибиторов горения. Тушение очага ТП-4 в защищаемом объеме 130 литров произведено АОС массой 2,82 грамма. Результат - модельный очаг ТП-4 по составу №3 потушен эффективно.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Аэрозолеобразующий огнетушащий состав | 2023 |
|
RU2812443C1 |
| АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ | 2022 |
|
RU2788085C1 |
| АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ (АОС) И СРЕДСТВО ОБЪЕМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ | 2008 |
|
RU2477163C2 |
| ГРАНУЛИРОВАННЫЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ОБЪЕМНОГО ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ | 2018 |
|
RU2686927C1 |
| АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ (АОС) И СРЕДСТВО ОБЪЕМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ | 2008 |
|
RU2477162C2 |
| ОГНЕГАСИТЕЛЬНЫЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ | 2016 |
|
RU2618271C1 |
| АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ | 2015 |
|
RU2605576C1 |
| Аэрозолеобразующий огнетушащий состав с широким температурным диапазоном эксплуатации (от -50˚C до +125˚C) | 2018 |
|
RU2695982C1 |
| ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ | 2009 |
|
RU2392993C1 |
| ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ | 2012 |
|
RU2494781C2 |
Изобретение относится к объемному аэрозольному пожаротушению, в частности к твердотопливным аэрозолеобразующим составам. Аэрозолеобразующий огнетушащий состав содержит компоненты в следующих соотношениях, на 100% массы: горючее-связующее 1,0-8,0, окислитель № 1 - нитрат щелочного металла 45,0-65,0, газообразователь 10,0-22,0, катализатор горения 0,1-5,0, окислитель № 2 - перхлорат калия 10,0-25,0, добавка, генерирующая ингибиторы горения - остальное. Обеспечивается повышение огнетушащей эффективности АОС, менее 0,025 г/м3, при высокой скорости горения состава. 4 з.п. ф-лы, 5 табл.
1. Аэрозолеобразующий огнетушащий состав, содержащий горючее-связующее и газообразователь в следующих соотношениях, на 100 % массы:
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразователя содержит нитрогуанидин, или гуанидин нитрат, или триаминогуанидин нитрат, или дициандиамид, или меламин в смеси с нитрогуанидином, или меламин в смеси с нитратом гуанидина, или меламин в смеси с триаминогуанидин нитратом, или меламин в смеси с дициандиамидом.
3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве горючего-связующего содержит шеллак, или поливинилбутираль, или нитроцеллюлозу, или ее раствор в виде НЦ лака, или парафин или стеарин, или раствор идитола.
4. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве добавки, генерирующей ингибиторы горения, содержит гидротерефталат калия.
5. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора содержит ферроцен или оксиды металлов.
| CN 105597259 B, 28.08.2018 | |||
| CN 107754198 A, 06.03.2018 | |||
| Аэрозолеобразующий огнетушащий состав на основе сахаридов | 2019 |
|
RU2740461C2 |
| АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ (АОС) И СРЕДСТВО ОБЪЕМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ | 2008 |
|
RU2477163C2 |
| СОСТАВ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ | 1996 |
|
RU2095104C1 |
