способ объемного пожаротушения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ объемного пожаротушения, заключающийся во введении в защищаемый объем предварительно доокисленной и охлажденной путем косвенного теплообмена газоаэрозольной смеси, образующейся при сгорании пиротехнического состава, отличающийся тем, что доокисление проводят путем пропускания через слой сорбента с кислородсодержащим окислителем газоаэрозольной смеси с последующим охлаждением последней путем пропускания через металлический теплообменник, а твердую фазу газоаэрозольной смеси с частицами заданного размера получают путем пропускания газоаэрозольной смеси через фильтрующий сорбент.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердая фаза газоаэрозольной смеси содержит частицы преимущественно 1 - 2 мкм, а ее массовая доля составляет не менее 70%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего окислителя используют нитрат щелочного металла.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего сорбента используют вещества, выбранные из класса алюмосиликатов, преимущественно цеолитов, силикагелей, активированных углей или их смеси.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что фильтрующий сорбент дополнительно содержит вещества, выбранные из класса карбонатов щелочных металлов или их гидратов.

6. Устройство для объемного пожаротушения, содержащее корпус с выходным отверстием и с расположенными в нем камерой сгорания с пиротехническим составом, инициирующим устройством и блоком охлаждения, отличающееся тем, что камера сгорания содержит сорбент с кислородсодержащим окислителем, расположенным между двумя перегородками, закрепленными над пиротехническим составом, а блок охлаждения выполнен, по крайней мере, из двух металлических толстостенных труб или металлического блока с отверстиями, над блоком охлаждения установлены перегородки, пространство между которыми заполнено фильтрующим сорбентом.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что металлические толстостенные трубы расположены коаксиально.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что блок охлаждения выполнен из металла с температурой плавления выше температуры сгорания пиротехнического состава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области противопожарной техники, преимущественно к способам тушения пожаров с помощью устройств, снабженных пиротехническими составами, которые при собственном термическом разложении в результате горения выделяют пожаротушащую газоаэрозольную смесь.

Изобретение может эффективно использоваться для тушения загораний и пожаров в различных типах сооружений и устройств, например:

- склады, гаражи, хранилища книг;

- офисы и цеховые помещения;

- двигательные и багажные отсеки различных транспортных средств;

- вентиляционные системы промышленных предприятий и гостиниц и т.п.

Предлагаемый способ объемного пожаротушения и устройство для его осуществления позволяет обеспечить эффективную пожарную безопасность не только продуктов деятельности человека, но и обеспечивать жизнедеятельность самого человека, окружающих его живых организмов и природы в экстремальной ситуации, связанной с пожаром.

В настоящее время широкое применение находят методы тушения пожаров с использованием газоаэрозольгенерирующих веществ. Тушение пламени с помощью этих средств заключается в том, что в защищаемом объеме производят дистанционное воспламенение газоаэрозольгенерирующего состава, который при собственном термическом разложении выделяет высокодисперсный аэрозоль (1-5 мкм), оказывающий гасящее воздействие на пламя очага пожара.

Известен способ объемного пожаротушения [1], основанный на сжигании в защищаемом объеме заряда пиротехнического состава, содержащего 40-50 вес.% перхлората калия, 9 - 12 вес.% эпоксидной смолы, 10 - 44 вес.% хлорида калия и до 4 вес.% порошка магния. Указывается на возможность применения другого состава, содержащего 70 - 80 вес.% нитрата калия, 19 - 23 вес.% эпоксидной смолы и 2-4 вес.% порошка магния или алюминия.

Данный способ обладает рядом существенных недостатков:

- высокая температура продуктов сгорания составов требует охлаждения газоаэрозольной смеси, а использование в качестве охлаждающих средств воды, двуокиси углерода, водных растворов солей натрия и калия может приводить в процессе хранения устройства к его коррозии, уменьшая тем самым надежность и долговечность системы пожаротушения;

- аэрозоль состоит из частиц диаметром около 1 мкм или менее, которые оказывают вредное воздействие на дыхательные органы, раздражая слизистую оболочку, внедряясь в кровеносные сосуды, практически не выводятся из организма.

Известен способ получения огнетушащей смеси и устройство для реализации этого способа [2] . Способ основан на сжигании пиротехнической композиции, содержащей 55-90 мас.% нитрата или перхлората щелочных металлов и горючее-связующее 10-45 мас.%. В качестве горючего-связующего используют идитол или баллистиститный порох. Заряды пиротехнической композиции помещают в оболочку цилиндрического корпуса, который содержит средство для воспламенения заряда.

Данный способ обладает рядом существенных недостатков:

- высокая температура продуктов сгорания (около 1200^oC);

- устройство для реализации способа имеет ограниченные возможности регулирования температуры продуктов сгорания и, как следствие, наличие пламени и искр за выходным отверстием, что может вызвать дополнительное загорание окружающих предметов.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ объемного пожаротушения [3], заключающийся в том, что в защищаемый объем вводят предварительно доокисленные и охлажденные продукты сгорания твердого топлива. Процесс доокисления осуществляют в эжекционном потоке, используя в качестве окислителя кислород окружающего воздуха либо другой газовый окислитель, подаваемый в генератор под давлением. Охлаждение продуктов сгорания осуществляют бесконтактным способом, используя жидкий охладитель из существующих систем охлаждения, например системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

Устройство для реализации данного способа [4] состоит из корпуса с расположенной в нем камерой сгорания, закрепленного в ней твердотопливного аэрозолеобразующего состава, средства воспламенения твердого топлива и выходного сопла. Корпус разделен поперек перегородкой, по меньшей мере с одним отверстием, на перегородке закреплена по меньшей мере одна труба концентрично с выходным соплом, причем объем между трубой и внутренней поверхностью корпуса заполнен охладителем, а корпус имеет отверстия, расположенные между поперечной перегородкой и торцевой поверхностью камеры сгорания, при этом выходное сопло камеры сгорания выполнено в форме эжекционного насадка и входит в перегородку с зазором по отношению к трубе, которая сообщается с атмосферой открытым торцом. В зазор между эжекционным насадком и трубой установлен завихритель.

Данный способ объемного пожаротушения и устройство для его осуществления имеют ряд существенных недостатков:

- низкая массовая доля твердой фазы газоаэрозольной пожаротушащей смеси. Это объясняется тем, что полное доокисление продуктов сгорания ведет к повышению доли инертных газов, однако их недостаточно для создания в защищаемом объеме среды, не поддерживающей горение. В то же время избыток окислителя, подводимого в эжекционный объем, приводит к уменьшению основной пожаротушащей составляющей - твердой фазы газоаэрозольной смеси за счет ее химического взаимодействия и, как следствие, снижение пожаротушащей эффективности;

- ограниченность применения данного способа объемного пожаротушения только для узкого спектра составов твердых топлив, для которых на начальной стадии их горения процесс доокисления продуктов сгорания слабо зависит от объема эжектируемого кислорода воздуха. Это связано с тем, что объем эжектируемого воздуха целиком определяется внешним давлением окружающего воздуха, которое колеблется, и скоростью истечения потока газоаэрозольной смеси, которая, в свою очередь, определяется давлением в корпусе устройства. По критериям безопасности эксплуатации таких устройств имеются ограничения по величине давления. При превышении давления внутри устройства более двух атмосфер это устройство переходит в разряд сосудов, работающий под давлением с повышенными конструктивными требованиями по безопасности.

Технические задачи, на решение которых направлено данное изобретение, это:

- увеличение массовой доли твердой фазы с частицами заданного размера, обеспечивающих высокую пожаротушащую эффективность и повышение экологической чистоты способа;

- расширение применения способа объемного пожаротушения газоаэрозольными смесями, образующимися при горении широкого спектра пиротехнических составов;

- снижение температуры газоаэрозольной смеси на выходе из устройства пожаротушения и, как следствие, исключение возможности появления пламени и искр.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в способе объемного пожаротушения, заключающемся во введении в защищаемый объем предварительно доокисленной и охлажденной путем косвенного теплообмена газоаэрозольной смеси, образующейся при сгорании пиротехнического состава, доокисление проводят путем пропускания через слой сорбента с кислородсодержащим окислителем газоаэрозольной смеси с последующим охлаждением последней путем пропускания через металлический теплообменник, а твердую фазу газоаэрозольной смеси с частицами заданного размера получают путем пропускания газоаэрозольной смеси через фильтрующий сорбент.

Для осуществления настоящего изобретения применимы практически любые пиротехнические составы, продукты горения которых содержат высокодисперсные аэрозольные частицы.

Осуществление предлагаемого способа пожаротушения заключается в следующем: в защищаемый объем вводят предварительно доокисленную, охлажденную газоаэрозольную смесь, образующуюся при сгорании пиротехнического состава, воспламенение которого происходит от инициирующего устройства, причем продукты неполного сгорания пиротехнического состава доокисляют путем пропускания их через слой сорбента с кислородсодержащим окислителем (например, калиевая селитра KNO₃).

В качестве сорбента можно использовать цеолит, силикагель, алюмосиликаты, древесный уголь и другие сорбенты с высокоразвитой внутренней и внешней поверхностью.

При прохождении через этот слой горячий газоаэрозоль вызывает разложение кислородсодержащего компонента, адсорбированного на поверхности слоя сорбента. Образующийся кислород вступает в реакцию с газоаэрозолем и с продуктами неполного окисления. Приводим основные реакции доокисления:

2CO + O₂ ---> 2CO₂

2H₂ + O₂ ---> 2H₂O

2NH₃ + 1,5O₂ ---> N₂ + 3H₂O

CH₄ + 2O₂ ---> CO₂ +2H₂O

Таким образом, химическим путем из продуктов сгорания, пропорционально количеству нанесенного на поверхность сорбента кислородсодержащего компонента химическим путем, выводятся вредные продукты неполного окисления.

Полученная газоаэрозольная смесь охлаждается за счет косвенного теплообмена со стенками металлического блока или металлических толстостенных труб.

В слое фильтрующего сорбента газоаэрозольная смесь проходит дополнительную очистку по химическому составу и фильтрацию твердых частиц.

Полученная газоаэрозольная смесь, состоящая из газовой и твердой фазы, попадает в защищаемый объем через выходное отверстие.

Для увеличения доли высокоактивной твердой фазы и эффекта охлаждения газоаэрозольной смеси на поверхность фильтрующего сорбента можно дополнительно наносить соединения щелочных металлов, выбранные из группы: Na₂CO₃, KHCO₃, K₂CO₃ или их гидратов. При взаимодействии с горячей газоаэрозольной смесью эти соединения отбирают у нее тепло на нагрев, десорбцию и дисперсирование. В результате химических реакций и физического дисперсирования дополнительно образуется высокодисперсная твердая фаза газоаэрозольной смеси.

Газоаэрозольная смесь с низкой температурой 300-350^oC без искр и пламени поступает в зону пламени пожара, где она охлаждает пламя за счет отвода тепла и дезактивирует активные атомы и радикалы пламени на поверхности твердых высокоактивных аэрозольных частиц. Затухание пожара происходит в течение нескольких секунд, и при этом не оказывается вредного влияния на живые организмы, окружающую среду, а также приборы, аппараты и другое оборудование.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом выявил следующие отличительные признаки:

- процесс доокисления продуктов неполного сгорания ведут путем пропускания продуктов сгорания пиротехнического состава через слой сорбента с кислородсодержащим окислителем;

- твердую фазу газоаэрозольной смеси получают путем пропускания продуктов сгорания пиротехнического состава через фильтрующий сорбент;

- с массовой долей, преимущественно частиц 1-2 мкм, не менее 70%;

- в качестве кислородсодержащего окислителя используют нитрат щелочного металла;

- в качестве фильтрующего сорбента используют вещества, выбранные из алюмосиликатов, преимущественно цеолитов, силикагелей, активированных углей или их смеси;

- фильтрующий сорбент дополнительно содержит вещества, выбранные из класса карбонатов щелочных металлов или их гидратов;

- в качестве твердого охладителя используют металлические стенки блока охлаждения.

Заявленный способ объемного пожаротушения не может быть эффективно использован в известных устройствах пожаротушения. В этой связи предлагается новое устройство.

Предлагаемое устройство объемного пожаротушения выполнено следующим образом: в корпусе с выходным отверстием размещена теплоизолированная от его стенок камера сгорания с пиротехническим составом, инициирующим устройством для его воспламенения и сорбентом с кислородсодержащим окислителем, расположенным между двумя перегородками над пиротехническим составом. Над камерой сгорания размещен блок охлаждения, выполненный в виде металлического блока с отверстиями для теплообмена с газоаэрозольной смесью или в виде по крайней мере двух толстостенных труб, расположенных преимущественно коаксиально. Над блоком охлаждения установлены перегородки, пространство между которыми заполнено фильтрующим сорбентом. В качестве материала блока охлаждения выбран металл с температурой плавления выше температуры горения пиротехнического состава.

Выходное отверстие может быть выполнено в виде перегородки с отверстиями.

Более подробно изобретение поясняется с помощью фиг. 1 и 2, на которых представлено:

На фиг.1 и 2 представлен общий вид предлагаемого устройства, где:

1 - корпус;

4 - пиротехнический состав;

5 - инициирующее устройство;

6 - перегородки;

7 - сорбент с кислородсодержащим окислителем;

8 - блок охлаждения;

9 - отверстия;

10 - толстостенные металлические трубы (по фиг. 1);

10 - металлический блок с отверстиями (по фиг.2);

11 - фильтрующий сорбент;

12 - канал (по фиг.2).

Предлагаемое устройство работает следующим образом: при возникновении пожара происходит срабатывание инициирующего устройства 5, которое воспламеняет пиротехнический состав 4, размещенный изолированно от корпуса 1 в камере сгорания 3. При сгорании пиротехнического состава 4 образуется газоаэрозольная смесь. Эта смесь проходит через сорбент с кислородсодержащим окислителем 7, который размещен в камере сгорания между перегородками 6. Кислородсодержащий окислитель, разлагаясь, производит доокисление газовой фазы продуктов сгорания пиротехнического состава. Далее газоаэрозольная смесь поступает в блок охлаждения 8, состоящий либо по (фиг. 1) из коаксиально расположенных толстостенных металлических труб, либо из металлического блока с отверстиями по (фиг.2). В результате косвенного теплообмена продуктов сгорания с металлическими стенками происходит охлаждение продуктов сгорания за счет затрат тепла на их нагрев. Толщина стенок выбирается с учетом теплотворной способности пиротехнического состава и теплопоглощающей способности материала стенок. Для рассматриваемых типов пиротехнических составов их теплотворная способность находится в пределах 800-1000 ккал/кг. В качестве материала блока или труб целесообразно использовать сталь, алюминий, медь или различные сплавы. В каждом конкретном случае, зная массу пиротехнического состава, легко подсчитать количество выделяемого тепла, а из экспериментальных данных можно определить температуру горения состава. Зная эти характеристики, а также задаваясь необходимой температурой на выходе из устройства и принимая во внимание значение теплоемкости материала стенок, можно рассчитать требуемую толщину стенок. Через отверстия 9 в блоке охлаждения 8 газоаэрозольная смесь поступает в блок фильтрующего сорбента 11, размещенный между перегородками 6 и проходит его. Отфильтрованная и очищенная газоаэрозольная смесь через выходное отверстие 2 поступает в зону пламени защищаемого объема и осуществляет тушение пожара.

Лучший вариант осуществления изобретения

Для тушения горящего бензина в защищаемом объеме 2,5 м³ берут 100 г пиротехнического состава N4 по табл. 1. Пиротехнический состав сформирован в цилиндрическую, бесканальную форму с углублением в центральной его части, в котором размещают стандартное инициирующее устройство массой 1 г, над которым устанавливают две сетчатые перегородки с размером ячейки 2,0 х 2,0 мм. Между этими перегородками помешают 7,5 г цеолита с размерами гранул со средним диаметром 3,6 мм. Цеолит предварительно обрабатывают 7% водным раствором калиевой селитры в течение одного часа и затем сушат при 75^oC до постоянного веса. Указанные компоненты размещают в термоизолированную от стенок корпуса стеклопластиком камеру сгорания, которую помещают в металлический корпус. На расстоянии 5 мм от верхней перегородки, ограничивающей сорбент, устанавливают блок охлаждения длиной 125 мм, представляющий собой две коаксиально расположенные металлические трубы с толщиной стенок 5 мм, одна диаметром 24 мм, а другая - 34 мм. Блок охлаждения фиксируют в корпусе внутренним диаметром 48 мм распорными кольцами. На расстоянии 5 мм от блока охлаждения в корпусе устанавливают перегородки, между которыми помещают 15 г цеолита с размером гранул по среднему диаметру 2,6 мм, который предварительно обрабатывают 50% водной суспензией KHCO₃ в течение 15 минут и высушивают до постоянного веса.

При поджигании бензина тепло пламени пожара вызывает срабатывание инициирующего устройства, которое воспламеняет пиротехнический состав. При сгорании пиротехнического состава образуется газоаэрозольная смесь. Эта смесь проходит через сорбент с кислородсодержащим окислителем, который, разлагаясь, производит доокисление продуктов сгорания пиротехнического состава. Далее газоаэрозольная смесь поступает в блок охлаждения и в результате косвенного теплообмена между продуктами сгорания и металлическими стенками труб охлаждается. Затем охлажденная газоаэрозоль поступает в блок фильтрующего сорбента, где происходит одновременное разложение, предварительно нанесенного KHCO₃ (2KHCO₃ ---> 2CO₂ + K₂O + H₂O), и ее фильтрация. Далее газоаэрозольная смесь через выходное отверстие поступает в зону пламени защищаемого объема и осуществляет тушение пожара в течение 17 секунд.

Измеренная с помощью термопар температура на расстоянии 100 мм от выходного отверстия устройства и на стенках корпуса на семнадцатой секунде работы устройства составила соответственно 328^oC и 63^oC. Температура на расстоянии 200 мм от выходного отверстия устройства зафиксирована равной 115^oC. Пламени и искр не наблюдается.

Физико-химический анализ твердой фазы газоаэрозольной смеси показал, что массовая доля частиц 1..2 мкм составила 72%, массовая доля частиц более 2 мкм составила 10%, остальное составили частицы менее 1 мкм. Основными составляющими твердой фазы являются KHCO₃, NH₄HCO₃, K₂CO₃.

Данные по испытаниям других составов, описанных в табл. 1, представлены в табл. 2. Из приведенных в табл. 2 данных видно, что использование предлагаемого способа объемного пожаротушения и устройства для его осуществления позволяет применять широкий спектр пиротехнических составов, при этом температура на выходе из устройства и температура корпуса низкие, пламя и искры отсутствуют, а массовая доля экологически чистой составляющей твердой фазы высокоактивной газоаэрозольной смеси составляет 70% и более.

Предложенные способ объемного пожаротушения и устройство для его осуществления позволяет осуществлять эффективное тушение загораний и пожаров.различных горючих веществ в сооружениях и устройствах замкнутого типа:

- склады, гаражи, хранилища книг;

- офисы, цеховые помещения, помещения для разведения животных и птиц;

- двигательные и багажные отсеки различных транспортных средств;

- вентиляционные системы промышленных предприятий, гостиниц и т.п.

Преимуществами предложенного способа и устройства являются простота и надежность обслуживания, безопасность и долговечность при эксплуатации, высокая пожаротушащая эффективность, низкая удельная материалоемкость, широкая сырьевая база комплектующих компонентов. Пожаротушащая газоаэрозольная смесь имеет низкую температуру, истечение ее из выходного отверстия пожаротушащего устройства происходит без пламени и искр и не оказывает губительного воздействия на человека и окружающие его живые организмы, природу, высокоточные аппараты и устройства.

Источники информации, принятые во внимание при подаче заявки

1. Патент ЕР N 0561035 B1, кл. A 62 D 1/00, A 62 D 1/06, опубликован 22.09.93 г.

2. PCT/RU 92/00071, WO 92/17244, кл. A 62 D 1/00, опубликован 15.10.92 г.

3. Патент RU N 2087170 C1, кл. A 62 C 13/22, опубликован 20.08.97 г.

4. Патент RU N 2097079, кл. A 62 C 13/22, опубликован 27.11.97 г.