устройство для объемного тушения пожара

Формула изобретения

1. Устройство для объемного тушения пожара, содержащее корпус с выходными отверстиями, заряд пиротехнического дымообразующего состава с узлом инициирования, отличающееся тем, что в нем заряд установлен с зазором с соотношением площади поперечного сечения зазора и площади поперечного сечения заряда от 1 40 до 1 15, а между зарядом и выходными отверстиями установлен регенеративный теплообменник, выполненный в виде плоской параболической спирали с сеткой на обоих торцах, при этом в качестве материала спирали и сетки использованы металлы с температурой плавления выше температуры продуктов сгорания заряда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что заряд выполнен из пиротехнического дымообразующего состава, содержащего, мас.

Азотнокислый калий 63 71

Дициандиамид 14 25

Фенолформальдегидная смола 5 12

Бикарбонат калия или натрия или оксолат аммония 3 7

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус снабжен кожухом с сопловой крышкой и коаксиально закреплен в нем с образованием щелевого зазора между днищами корпуса и кожуха для разворота потока продуктов сгорания заряда на 180^o, причем по периметру крышки выполнены сопловые отверстия.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к средствам тушения пожаров и может быть использовано для объемного тушения горящих легковоспламеняющихся жидкостей, прочих горячих материалов, приборов и оборудования в моторно-трансмиссионных отделениях, блоках, пультах управления и других закрытых и полузакрытых отсеках, емкостях транспортных средств и энергетических установок.

Известна система для объемного тушения пожара, в которой использована хладоновая установка (см. патент Великобритании N 2020971, М. кл. A 62 C 37/00, 1979).

Недостатком таких установок является вредное влияние хладонов (фреонов и др. ) на окружающую среду, в том числе озоноразрушающий эффект и высокий уровень токсичности при максимальной огнетушащей концентрации. Кроме того, эти установки имеют большие массогабаритные характеристики, требуют сложных инженерных сооружений, что ограничивает возможность их использования на транспорте, например в автомобилях и на других объектах.

Известно устройство для тушения пожара, содержащее корпус с выходным отверстием, заряд, генерирующий огнетушащее вещество, и узел инициирования (см. патент Великобритании N 2028127, М.кл. A 62 C 13/22, 1980).

В этом устройстве при срабатывании узла инициирования воспламеняется пиротехнический или другой твердотопливный заряд, газообразные продукты которого являются огнетушащим веществом и, поступая через выходное отверстие в зону пожара, осуществляют его тушение. Однако, при меньших размерах и массе, токсичности, продукты сгорания заряда этого устройства имеют высокую, до 2500 K температуру и горение этого заряда сопровождается искрением и пламенем, что может привести к повреждению близко расположенных легкловоспламеняющихся элементов конструкции в защищаемом объеме, например электрокабелей, шлангов и т.д. Для исключения воспламенения и повреждения элементов конструкции требуется применение защитных экранов или размещение устройства для тушения пожара на безопасном расстоянии. Кроме того, продукты сгорания заряда этого устройства, являющиеся инертными разбавителями, имеют низкую огнетушащую способность.

Наиболее близким решением является "Способ получения огнетушащей смеси и устройство для его осуществления" по заявке N PCT/RU 92/00071 (МКИ⁶ A 62 D 1/00, A 62 C 5/02), опубл. 15.10.92, содержащее корпус с выходным отверстием или отверстиями и размещенными в нем зарядом пиротехнического дымообразующего состава с узлом инициирования. В этом устройстве при срабатывании узла инициирования воспламеняется заряд дымообразующего состава, продукты сгорания которого, поступая через выходные отверстия в зону пожара, осуществляют его тушение. В нем в качестве дымообразующего состава использован пиротехнический состав, содержащий нитрат или перхлорат щелочных металлов 55-90 мас. и горючее связующее 10-45 мас. Этот состав может дополнительно содержать горючее в количестве 1-42 мас. или перхлорат аммония в количестве 5-43 мас. В качестве горючего-связующего пиротехнический дымообразующий состав может содержать баллиститный порох.

Заряд дымообразующего вещества в этом устройстве прочно скреплен с корпусом и может быть выполнен канальными, например с центральным каналом, или бесканальным.

Продукты сгорания заряда из таких дымообразующих составов содержат частицы окислов и солей щелочных металлов, обладают способностью находиться во взвешенном, аэрозольном состоянии и огнетушащим эффектом.

Этому устройству свойственны следующие недостатки: высокая, не ниже 1500 K температура продуктов сгорания заряда, наличие пламени и искрения за выходными отверстиями корпуса, что приводит к снижению безопасности и невозможности применения устройства при тушении близко расположенных легковоспламеняющихся жидкостей и горячих конструкционных материалов в защищаемом объеме, большое время создания огнетушащей концентрации в защищаемом объеме, что приводит к снижению эффективности тушения пожара.

Задачей настоящего изобретения является снижение температуры продуктов сгорания заряда, исключение пламени и искрения за выходными отверстиями корпуса при работе устройства, сокращение времени создания огнетушащей концентрации продуктов сгорания в защищаемом объеме.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для объемного тушения пожара, содержащем корпус с выходными отверстиями, заряд пиротехнического дымообразующего состава с узлом инициирования, заряд установлен в корпусе с зазором с соотношением площади зазора к площади наружной поверхности заряда от 1:40 до 1:15, а между зарядом и выходными отверстиями установлен регенеративный теплообменник, выполненный в виде плоской параболической спирали с сеткой на обоих торцах, при этом в качестве материала спирали и сетки использованы металлы с температурой плавления выше температуры продуктов сгорания заряда.

Заряд выполнен из пиротехнического дымообразующего состава, содержащего, мас.

Азотнокислый калий 63-71

Дициандиамид 14-25

Фенолформальдегидная смола 5-12

Бикарбонат калия или натрия или оксалат аммония 3-7

Корпус снабжен кожухом с сопловой крышкой и коаксиально закреплен в нем с образованием щелевого заряда между днищем корпуса и кожуха для разворота потока продуктов сгорания заряда на 180^o, причем по периметру крышки выполнены сопловые отверстия.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого устройства.

Устройство содержит корпус 1 с выходными отверстиями "а" в дне, заряд 2 из прессованного пиротехнического дымообразующего состава в виде цилиндрической шашки, установленной в корпусе с зазором "в", инициирующее устройство 3 для воспламенения заряда с электроконтактами 4 в диске 5 для подведения электрического тока на электровоспламенитель инициирующего устройства. Между зарядом 2 и выходными отверстиями "а" установлен регенеративный теплообменник, представляющий плоскую параболическую спираль 6 с металлической сеткой 7 на обоих торцах спирали. Спираль выполняет роль насадки для отбора тепловой энергии от горячего теплоносителя продуктов сгорания заряда. Вид спирали 6 со стороны торца показан на фиг.2. Сетка выполняет роль фильтра для задержки и охлаждения искрообразующих частиц в продуктах сгорания заряда. Спираль и сетка выполнены из металла, например из стали с температурой плавления (около 1620 K) выше температуры продуктов сгорания заряда (до 1500 K). Заряд и теплообменник закреплены в корпусе путем завальцовки верхнего края корпуса на диск 5. Для фиксации заряда в корпусе с зазором имеются ложементы 6 и амортизатор 9. Корпус с зарядом, инициирующим устройством и теплообменником установлен в кожухе 10 на упор 11 с отверстиями "с" для прохода продуктов сгорания и коаксиально закреплен в нем с помощью сопловой крышки 12 с сопловыми отверстиями "d" по периметру крышки.

На фиг.3 показана возможная форма отверстий "d" по периметру крышки 12. Коаксиальность корпуса в кожухе с образованием между ними кругового щелевого зазора в данном случае обеспечивается с помощью трех продольных углублений "е" в стенке кожуха, выполненных штамповкой.

Устройство работает следующим образом. После срабатывания узла инициирования 3 воспламеняется заряд 2 и продукты его сгорания проходят в отверстия (см. фиг.4) первой металлической сетки 7, затем в щелевой зазор между витками спирали 6, в отверстия второй сетки, в выходные отверстия "а" корпуса 1, в отверстия "с" упора 11, и, достигнув дна кожуха 10, поток продуктов сгорания изменяет направление движения на 180^o, истекая в атмосферу в щелевой зазор между корпусом 1 и кожухом 10 и сопловые отверстия "d" по периметру крышки 12.

При прохождении продуктов сгорания заряда по такому тракту происходит рассредоточение их высокотемпературного потока и охлаждение путем передачи тепла металлической спирали с задержкой искрообразующих частиц сетками, а также путем передачи тепла в окружающую среду через стенку дна и цилиндрической поверхности кожуха.

Установка заряда в корпусе с зазором позволяет получить максимальную поверхность горения заряда и максимальный расход дымообразующего состава в начале горения и благодаря этому быстрее достигнуть огнетушащей концентрации аэрозоля в защищаемом объеме.

Кроме того, максимальный расход состава в начале горения заряда предпочтителен и для эффективного отвода тепла от продуктов сгорания, который определяется в основном разностью температур продуктов сгорания в металлической спирали, а в начале работы устройства эта разность максимальна. В процессе сгорания заряда разности температур будет уменьшаться, однако и расход состава, а соответственно, и приход тепловой энергии продуктов сгорания будет уменьшаться.

В устройстве-прототипе, где заряд прочно скреплен с корпусом путем прессования в него дымообразующего состава, горение заряда, например, бесканального происходит только со стороны открытого торца с постоянным массовым расходом состава в единицу времени. Время создания огнетушащей концентрации продуктов сгорания в защищаемом объеме (30-90 г/м³ в зависимости от типа горящих материалов) при горении этого заряда больше, особенно при необходимости диаметра заряда. Выполнение заряда с каналом увеличивает в нем площадь горящей поверхности и сокращает время достижения огнетушащей концентрации продуктов сгорания с защищаемом объеме. Однако при горении такого заряда максимальный расход дымообразующего состава и соответственно подвод тепловой энергии к спирали не в начале, а в конце его сгорания, т.к. площадь горящей поверхности по каналу увеличивается. Это приводит к снижению эффективности теплообмена при прохождении продуктов сгорания через спираль. Кроме того прессование канальных зарядов более трудоемкое и требует более сложной и дорогостоящей технологической оснастки.

Пределы соотношения площади зазора между зарядом и корпусом и площади наружной горящей поверхности заряда установлены исходя из уравнения баланса секундного расхода массы дымообразующего состава при горении заряда и секундного расхода образующихся продуктов сгорания через зазор (В.Д. Куров, Ю.М. Должанский. основы проектирования пороховых ракетных снарядов. М. Оборонгиз, 1961, стр. 105).

₃US = _nF,

где ₃,₄ соответственно плотность заряда и продуктов сгорания заряда;

U линейная скорость горения заряда;

S, F соответственно площадь наружной горящей поверхности заряда и зазора;

скорость истечения продуктов сгорания через зазор.

Отсюда

Плотность зарядов из прессованных пиротехнических дымообразующих составов, в том числе и предлагаемого заряда, находится в пределах 1,5-1,7 г/см³, линейная скорость горения 0,1-0,2 см/с. Предельная скорость истечения продуктов сгорания через зазор, при которой заряд горит параллельными смесями, находится в пределах (18 20)10^-3 см/с. Плотность продуктов сгорания зарядов из пиротехнических дымообразующих составов находится в пределах (0,27 -0,29)10^-3 г/см³.

С учетом указанных экспериментальных и расчетных данных



При уменьшении этого соотношения за пределы 1:40 горение заряда будет неустойчивым, с ускорением, что может привести к разрушению корпуса. Увеличение этого соотношения за пределы 1: 15 приводит к снижению надежности воспламенения заряда и к уменьшению коэффициента наполнения отношения массы заряда к массе устройства, т.е. к нерациональному снаряжению устройства.

Установка регенеративного теплообменника между зарядом и выходными отверстиями корпуса, выполненного в виде плоской параболической металлической спирали с металлической сеткой на обоих торцах, позволяет снизить температуру продуктов сгорания заряда перед выходными отверстиями и обеспечить беспламенное без искрения дымообразование. Выполнение спирали плоской параболической формы позволяет наиболее эффективно рассредоточить поток продуктов сгорания и обеспечить постоянный и необходимый зазор между витками для беспрепятственного прохождения и быстрого охлаждения продуктов сгорания без зашлаковки и без задержки дымообразующих частиц, обладающих огнетушащим эффектом. Выполнение спирали и сеток металлическими обеспечивает наибольшую эффективность теплообмена благодаря наибольшей теплопроводности металлов в сравнении с другими конструкционными материалами. При этом имеется достаточное количество технологических металлов и их сплавов с температурой плавления выше температуры продуктов сгорания заряда из пиротехнического дымообразующего состава.

Например, температура продуктов сгорания заряда из наилучшего дымообразующего состава устройства-прототипа, содержащего азотнокислый калий, дициандиамид, фенолформальдегидную смолу около 1500 K. Для охлаждения этих продуктов и исключения искрообразования могут быть использованы спираль и сетки из стали, температура плавления которой около 1620 K. С помощью стальных спирали и сеток удалось снизить температуру продуктов сгорания этого заряда перед выходными отверстиями до 550 K, до беспламенного дымообразования и без искрения за выходными отверстиями. При этом следует отметить, что сетка со стороны торца спирали, обращенного к выходным отверстиям, может быть выполнена из металла с меньшей температурой плавления, например из латуни, т.к. температура продуктов сгорания заряда снижена после прохождения их через спираль.

Размеры спирали выбираются в зависимости от массы заряда и секундного расхода дымообразующего состава в процессе работы устройства. Спираль изготавливается из ленты путем ее намотки на оправку. Выполнение заряда из пиротехнического дымообразующего состава, содержащего, мас.

Азотнокислый калий 63-71

Дициандиамид 14-25

Фенолформальдегидная смола 5-12

Бикарбонат калия или натрия или оксадат аммония 3-7

позволяет снизить температуру продуктов сгорания заряда до 1200 K и повысить огнетушащую способность продуктов его сгорания.

Снижение температуры продуктов сгорания обеспечивается за счет теплопоглощения при разложении бикарбоната калия или натрия или оксалата аммония в зоне реакции. Вместе с тем, за счет увеличения в дисперсной фазе образуемого аэрозоля этих компонентов и продуктов их разложения бикарбоната и карбоната калия или натрия, или бикарбоната аммония, которые являются ингибиторами горения, повышается огнетушащая способность заряда. Так, огнетушащая концентрация продуктов сгорания в защищаемом объеме для разных горячих материалов уменьшается на 10-15% в сравнении с зарядом устройства-прототипа. Размещение корпуса с выходными отверстиями, зарядом, узлом инициирования и теплообменником в кожухе с сопловой крышкой и коаксиальное закрепление в нем с изменением направления потока продуктов сгорания заряда на 180^o и их истечением в окружающую среду через щелевой зазор между корпусом и кожухом и сопловые отверстия по периметру крышки позволяют обеспечить дополнительное охлаждение продуктов сгорания за выходными отверстиями корпуса за счет передачи тепла в окружающую среду через стенку дна и цилиндрической поверхности кожуха.

Так, использование кожуха, выполненного из стали, позволило снизить температуру продуктов сгорания в предлагаемом устройстве с 550 до 400 K и ниже, что не превышает температуру воспламенения горючих конструкционных материалов и легковоспламеняющихся жидкостей.

Испытания предлагаемого устройства проводились в стендовых и натуральных условиях в сравнении с устройством и прототипом, при этом проверялся заряд с различным соотношением компонентов.

Виды проверяемых зарядов и температура продуктов сгорания приведены в табл.1.

Эффективность пожаротушения предлагаемого устройства проверена в НИИ прикладной химии и ВНИИ противопожарной обороны в стендовых условиях, в сравнении с прототипом. При этом получено, что тушение очага пожара (горящие ацетон, керосин, изопрапанол, дизельное топливо, древесина, кабели в резиновой оплетке) предлагаемым устройством в 1,1 1,2 раза быстрее, в сравнении с устройством-прототипом.

Приведены испытания предлагаемого устройства по тушению очага пожара (горящая ветошь, смоченная бензином, маслом) в автомобиле, в щите управления пассажирского вагона. Испытания проведены на базе ВНИИ противопожарной обороны и НИИ вагоностроения.

Результаты представлены в табл.2.

Испытания предлагаемого устройства показали его высокую эффективность и возможность размещения в защищаемом объеме вблизи легковоспламеняющихся жидкостей, приборов и оборудования, выполненных из горячих материалов.