способ получения многокомпонентного газового состава для объемного пожаротушения тлеющих пожаров

Формула изобретения

Способ получения многокомпонентного состава для объемного тушения тлеющих пожаров, отличающийся тем, что получают смесь газов диоксида углерода, азота и/или гелия и соотношение компонентов огнетушащего состава выбирают с учетом получения максимально возможного значения критерия Льюиса огнетушащей смеси при ее удельном весе, равном плотности воздуха при нормальных условиях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к комбинированным средствам газового тушения тлеющих пожаров и может применяться в первую очередь для объемного тушения тлеющих твердых веществ класса А1, а также в том числе пожаров классов А2, В, С и Е и флегматизации взрывоопасных сред в замкнутом объеме.

Известен огнетушащий состав «Инерген» (Inergen - der umwelt raliebe / Jendisch W. // Brandhilfe, - 1992. 39, №6. S.172-173; Inergen - ein neues Loschmittel ersetzt Halon // Brennpunkt. - 1992. 44, №5. S.29; Alternatives Loschmittel fun Halon // Bevolkerung-sschutz. - Mag. - 1992. №5. S.53), состоящий из 50%N₂; 42%Ar; 8%CO₂ (плотность состава при Т=20°С =1,41 кг/м³). Применение этого состава для тушения большинства типов горючих газов и жидкостей показало его эффективность и безопасность для людей, оказавшихся в зоне действия состава. Как отмечено в работе (Энциклопедия по безопасности и гигиене труда. Перевод с английского. - М.: Профиздат, 1985 г.), снижение концентрации кислорода в процессе тушения до 10-12% об. компенсируется увеличением дыхательной активности легких человека в присутствии небольших концентраций диоксида углерода, что позволяет без видимых последствий оставаться в зоне действия состава до 15-30 мин. Присутствие аргона по данным медицинских исследований также оказывает положительное воздействие на дыхательную деятельность при снижении концентрации кислорода в процессе тушения.

Эффективность состава, содержащего 50% Ar и 50% N₂ показана в работах (Product Manual for Argonite Nitrogen Based Fire Protection System From Ginge-Kerr. Oct.1993). Плотность состава при Т=20°С =1,48 кг/м³. Огнетушащая эффективность состава близка огнетушащей эффективности чистого азота, однако стоимость «Аргонита» превышает стоимость азота в несколько раз.

В работе (Product Manual for Argonite Nitrogen Based Fire Protection System From Ginge-Kerr. Oct. 1993) составы типа «Инерген» и «Аргонит» названы средствами тушения 21 века. Их основное достоинство заключается в экологической безопасности для людей, оказавшихся в зоне их действия.

В заявке на изобретение «Способ тушения щелочных металлов» (Авторское свидетельство СССР №326799, опубл. 22.10.1970 г.) описан способ тушения щелочных металлов, например натрия с использованием инертного газа, в частности азота, и добавлением диоксида углерода в количествах от 1 до 15% об. Присутствие СО₂ повышает температуру самовоспламенения окислов металла и таким образом достигается эффект тушения натрия.

Прототипом заявляемого изобретения является огнетушащий состав на основе смеси газов (CO₂ , азота и/или гелия), снижающий содержание кислорода в помещении в процессе его подачи и тушения до 8-15% об. при одновременном повышении содержания СО₂ до 2-5% об. (Breathable fire extinguishing gas mixtures: Пат. 4807706 США, МКИ⁴ А 62 С 1/00 Заявл. 31.07.87. Опубл. 28.02.89. НКИ 169/45). Основное преимущество этого состава заключается в снижении уровня гипоксии для человека, за счет повышения его дыхательной активности при небольшом содержании в атмосфере диоксида углерода.

Рассмотренные составы предназначены для тушения пожаров в помещениях в начальной стадии, когда пожар ликвидируется за 2-5 мин при остаточном содержании кислорода в помещении 8-10% об. Данных об их огнетушащей эффективности при тушении тлеющих пожаров нет.

Известно, что наиболее трудно поддаются тушению пожары твердых материалов, склонных к тлению. Дотушивание тлеющих пожаров (обычно водой) продолжается длительное (до нескольких суток) время. Это связано с тем, что тление протекает при невысоких температурах (200-500°С) и низком содержании кислорода (до 2% об.).

Для эффективного тушения тлеющего пожара в помещении с помощью газовых средств необходимо за счет подачи огнетушащего состава снизить концентрацию кислорода в объеме до 0-5% об. и удержать такой уровень концентрации не менее 20 мин, чтобы процесс тления прекратился.

Использование составов с плотностью больше или меньше плотности воздуха приводит к быстрой их утечке из помещения, и, следовательно, для поддержания огнетушащей концентрации необходима дополнительная подача огнетушащего вещества в течение расчетного времени (˜20 мин). Перечисленные выше смесевые составы (инерген, аргонит), а также такие газы, как азот, аргон, гелий и все хладоны, не лишены этого недостатка.

Сущность данного изобретения заключается в том, что в способе получения многокомпонентного газового состава для объемного пожаротушения тлеющих пожаров, заключающемся в получении смеси газов диоксида углерода, азота и/или гелия, и соотношение компонентов огнетушащего многокомпонентного состава выбирают с учетом получения максимально возможного значения критерия Льюиса огнетушащей смеси при ее удельном весе, равном плотности воздуха при нормальных условиях.

Применение заявляемого способа повышает эффективность тушения тлеющего пожара. Причем плотность полученного огнетушащего многокомпонентного состава для объемного пожаротушения приближена к плотности воздуха. Кроме того, как показали опыты, огнетушащие вещества (смеси) и их компоненты, имеющие более высокие значения теплопроводности, теплоемкости и диффузии, обладают более высокой огнетушащей эффективностью при тушении тлеющих пожаров. Полученные на основе заявляемого способа огнетушащие составы особенно эффективны при снижении концентрации кислорода в защищаемом помещении до 0-7,0% об.

Физико-химические свойства некоторых газов, используемых в экологически безопасных комбинированных огнетушащих составах, приведены в таблице.

Таблица Физико-химические свойства газов
№ пп	Параметры	Азот	Диоксид углерода	Гелий
1	Плотность при 273К, кг/м3	1,250	1,977	0,179
2	Теплопроводность при 300К, Вт/(м·К)	0,0257	0,0166	0,152
3	Теплоемкость при 298К, Дж/(моль·К)	29,12	37,1	20,79
4	Вязкость при 300К, 10-6·Па·с	17,9	15,0	19,9
5	Коэффициент диффузии при 293К, D0, см 2/с	0,17	0,097	1,62
6	Критерий Льюиса *)	1,15	0,5	62,4

Примечание:

*) Этот критерий определяется формулой

где

- коэффициент теплопроводности, Вт/м·К;

- плотность газа, кг/м³;

D₀ - коэффициент диффузии, см²/с;

С_р - теплоемкость газа, Дж/моль·К.

Опыты показали, что предлагаемые газовые составы имеют более высокие значения критерия Льюиса (число Льюиса-Семенова) (А.Вильямс. «Теория горения». Изд. Наука, - М. 1971 г.), а следовательно, обладают большей эффективностью при тушении тлеющих материалов.

Учитывая значения критерия Le и подбирая составы по плотности, приближающиеся к плотности воздуха, и проведя комплекс исследований, были определены и испытаны наиболее эффективные экологически безопасные газовые составы на основе смеси газов:

1) 94% N₂ + 6% СО ₂; _см - 1,29 кг/м³; *)

2) 38% Не + 62% СО₂; _см - 1,29 кг/м³;

3) 19% Не + 47% N₂ + 34% СО₂; _см - 1,29 кг/м³.

*) Значения плотности приведены для Т=273 К и Р=101,3 кПа.

На фиг.1 показана сравнительная огнетушащая эффективность чистых газов и их смесей при содержании остаточного кислорода - 5,5% об. При этом в проведенных опытах получена сравнительная огнетушащая эффективность газов и смесей на их основе при содержании кислорода в тушащей атмосфере 5,5% об. (Образец - ткань матрацная (ТИК), свернутая в форме цилиндра 12 мм, размер образца 100×200 мм, хлопок 100%, артикул С98 ЮГ).

Видно, что гелий и его смеси с N₂ и СО ₂ заметно превосходят по своей эффективности другие огнетушащие вещества.

Исследованиями подтверждена также различная огнетушащая эффективность составов при различном содержании кислорода.

На фиг.2 показаны сравнительные кривые времени тушения различными составами, включая и названные выше, образца тлеющего материала (ткань типа ТИК) в зависимости от содержания кислорода. При этом за время тушения принято время снижения температуры в зоне тления до 100°С.

Результаты исследований показали высокую огнетушащую эффективность предлагаемых смесевых составов при снижении концентрации остаточного кислорода в экспериментальном сосуде.

Эти данные указывают также на то, что наиболее эффективное тушение тлеющего очага достигается при более низком значении концентрации кислорода (на уровне 0-7% об.), чем ПСКТ (предельное содержание кислорода, при котором прекращается тление) и необходимом времени поддержания этой концентрации.

Поскольку плотности испытываемых смесей равны плотности воздуха, с их помощью (за счет нулевой плавучести) достигается максимальное время их присутствия в среде защищаемого помещения. По этой причине общее количество таких огнетушащих веществ для тушения тлеющих пожаров по сравнению с любыми другими составами (например, с хладонами, азотом, СО₂ и т.д.) наименьшее.

При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован технический уровень (огнетушащая эффективность) известных огнетушащих составов.

При создании огнетушащей среды для тушения тления (достижение предельного содержания кислорода для прекращения тления - ПСКТ) требуется проведение вентиляции помещения с помощью подачи ОТВ с кратностью обмена - 2,5-3,0. Например, для вентиляции помещения объемом 100 м³ с целью создания огнетушащей среды требуется 250-300 м³ ОТВ без учета потерь состава и дополнительной подачи на поддержание расчетной концентрации в течение ˜ 20 мин. Таким образом, поддержание огнетушащей для прекращения тления концентрации в течение нормативного времени, равного 20 мин, с использованием известных составов в помещениях с принятой в НПБ 88-2001* степенью негерметичности требует дополнительной подачи ОТВ для компенсации его потерь. Это подтверждается опытными данными, приведенными ниже.

На фиг.3 представлены результаты экспериментов по созданию и поддержанию огнетушащей концентрации азота в экспериментальной камере объемом 180 м³ со степенью негерметичности 0,2% (Отчет ВНИИПО тема П.3.5.И.01.2001 "Тление" 2002 г.).

Из графика, представленного на фиг.3, видно изменение остаточной концентрации кислорода во времени при тушении тлеющих очагов горения парами азота в камере объемом 180 м³. (Расход азота ˜0,9 кг/с (˜0,72 нм³/с). Очаги тлеющего горения: вата хлопковая, хлопчатобумажная ткань ТИК, картон упаковочный. Достигнуто тушение всех очагов горения, кроме тлеющей ваты).

Для достижения в этом помещении расчетной концентрации остаточного кислорода 7,5% об. (по закону вентиляции) требуется около 180 м³ азота. В процессе эксперимента для достижения и поддержания расчетной концентрации было израсходовано 410 нм³ азота, подаваемого с расходом 0,72 нм³/с. Следовательно, на поддержание расчетной концентрации кислорода в течение 10 мин было использовано дополнительно 230 нм³ азота. По результатам эксперимента можно утверждать, что количество азота, необходимое для поддержания расчетной концентрации в течение 20 мин, будет превышать объем защищаемого помещения примерно в 2 раза. Обеспечение расчетной остаточной концентрации кислорода ниже 7% об. потребует увеличения интенсивности подачи азота и, как следствие, количества азота на поддержание расчетной концентрации. При использовании других известных огнетушащих составов их объемные количества для поддержания расчетной концентрации не будут существенно отличаться от приведенных выше экспериментальных значений, полученных при использовании азота.

Сравнительная эффективность различных газовых составов (на примере N₂ , СО₂ и их смеси) при тушении тлеющих пожаров в помещении объемом 100 м³ показана ниже.

Согласно полученным экспериментальным данным и расчету, количество азота, необходимое для создания и поддержания огнетушащей концентрации в помещении объемом 100 м³ в течение 20 мин, составит: 300 нм ³ + (100 м³·2)500 нм³.

С учетом стоимости ОТВ (по данным Балашихинского кислородного завода, г.Балашиха: N₂ - 30 руб/кг; СО ₂ - 15 руб/кг) и расчетных весовых количеств огнетушащих веществ для создания огнетушащей среды при тушении тлеющего очага пожара в помещении эффективным средством тушения являются СО ₂ и смесь азота и диоксида углерода. В тоже время смесь азота и диоксида углерода (94% N₂+6% CO₂ ) является более предпочтительной для тушения тлеющего пожара, так как для длительного поддержания огнетушащей концентрации в объеме помещения в течение 20 мин из-за равенства ее плотности с воздухом не требуется дополнительных затрат огнетушащего вещества. Поэтому количество состава (94% N₂ + 6% СО₂ ) для создания и поддержания огнетушащей концентрации в объеме 100 м³ в течение 20 мин составит не более 300 нм ³. При использовании чистых азота или диоксида углерода в этом случае понадобится ˜ 500 нм³ состава.

Эксперименты показали, что получаемые на основе заявляемого способа составы, содержащие гелий (38% Не + 62% CO₂ ; 19% Не + 47% N₂ + 34% СО₂), в сравнении с составом (94% N₂+6% CO₂) обладают большей огнетушащей эффективностью, но за счет стоимости гелия более дорогостоящие. В тоже время ожидаемая стоимость состава с наличием гелия (19% Не + 47% N₂ + 34% CO₂) 250-300 руб/кг в 5 раз меньше известного состава - хладона 318Ц. При этом цена чистого гелия 1230 руб/кг.

Таким образом, проведенный сравнительный анализ огнетушащей эффективности известных и предлагаемых составов, полученных на основе заявляемого способа, показывает, что отличительные признаки предлагаемого изобретения отвечают критерию "новизна".

Полученные на основе заявляемого способа огнетушащие многокомпонентные составы для объемного пожаротушения экологически безопасны и отвечают требованиям, предъявляемым к современным средствам газового пожаротушения.