способ тушения пожара

Формула изобретения

Способ тушения пожара, основанный на использовании тонкостенных герметичных капсул, заполненных водой, которые доставляют в очаг пожара, отличающийся тем, что для диспергирования содержащейся в капсулах воды используют тепловую энергию пожара, а размеры капсул выбирают из расчета возникновения паровых взрывов капсул при их движении в очаге подавляемого пожара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике пожаротушения с применением диспергированной воды (ДВ) и может использоваться для тушения различных пожаров, как на открытой местности, так и в помещениях.

В настоящее время известны различные методы тушения пожаров с помощью ДВ с размером капель ˜100 мкм и менее [1-7]. Высокая эффективность использования ДВ обусловлена ее огромной удельной поверхностью и возможностью охватить значительно больший объем по сравнению со струей, что позволяет обеспечить быстрое охлаждение горячей зоны пожара.

Вместе с тем, имеются принципиальные проблемы в реализации этих методов на практике для тушения реальных, особенно крупномасштабных пожаров. Дело в том, что мелкие капли (размером ˜100 мкм) очень сильно тормозятся в газовой среде (с уменьшением размера частицы длина ее торможения в газе уменьшается). Дробление капель ДВ, возможное при их движении в газе, дополнительно препятствует их проникновению в пожар. В большинстве известных методов, включая все упомянутые выше работы [1-7], которые можно считать аналогами данного изобретения, источник ДВ (в качестве которого обычно используются различные устройства с форсунками, соплами, пульсаторами давления и др.) располагается вне зоны пожара. В этом случае капли ДВ из-за их торможения в газе и дробления вообще могут не проникнуть в ядро большого пожара (т.е. в его наиболее горячую область) и будут увлечены периферийным течением газа вверх.

Существует возможность создания внутренних источников ДВ одноразового действия, например водяной бомбы, представляющей собой объем воды, внутри которого располагается взрывчатое вещество (ВВ), обеспечивающее создание и доставку ДВ в зону пожара. При этом сами водяные бомбы должны быть доставлены в зону пожара и подорваны в ней. Известен опыт применения импульсных взрывных огнетушащих устройств, использующих энергию малых пороховых и взрывных зарядов для распыления пожаротушащих составов [8]. Недостатки таких методов очевидны: взрыв ВВ или порохового заряда опасен для окружающих людей и сооружений, к тому же он может привести к дополнительным разрушениям в зоне пожара, а также к повторному зажиганию уже потушенных очагов.

Отметим, что в приведенных выше аналогах, как с внешним, так и с внутренним размещением источников ДВ, для диспергирования тушащей жидкости используется внешняя по отношению к пожару энергия (ВВ, сжатый газ, форсунки и т.п.). Вместе с тем, сам пожар представляет собой огромный источник тепловой энергии, расходование которой только способствует тушению пожара.

Известен огнегасящий полимерный композиционный материал [9], для работы которого используется энергия самого пожара. Материал представляет собой термореактивную полимерную композицию, содержащую дисперсный наполнитель, в качестве которого используют пожаротушащий агент, выполненный в виде микрокапсул. Микрокапсулы представляют собой микросферы диаметром 100-400 мкм, состоящие из сферической полимерной оболочки и заключенного внутри оболочки жидкого пожаротушащего агента, в качестве которого используют озонобезопасные вещества класса галогензамещенных углеводородов. Действие материала основано на интенсивном выделении газообразного огнегасящего агента по достижении заданной температуры (130-190°С). При повышении температуры происходит разрушение микрокапсул и полимерной матрицы и резкий выброс в окружающую среду паров пожаротушащего вещества. Когда концентрация паров пожаротушащего агента достигает пороговой огнегасящей концентрации, возникшие очаги горения ликвидируются. Таким образом, действие материала основано именно на взаимодействии с пламенем не жидкой, а газообразной фазы пожаротушащего агента. Предложенный в [9] материал не использует ряд преимуществ применения ДВ для тушения пожаров, которыми являются: огромная поверхность контакта с пламенем; возможность заполнения больших объемов; высокая теплота испарения воды, способствующая сильному охлаждению пламени; наибольшая экологическая безопасность. Кроме того, в [9] предложен не способ тушения пожаров, а защитный материал, который может выпускаться в виде листов для футеровки, фасонных изделий требуемой конфигурации или мастики.

Наряду с цитируемыми выше работами [1-8], где для тушения пожаров предлагается использовать ДВ, но не обеспечивается необходимая дальность доставки воды, известны работы [10, 11], в которых, наоборот, предложены способы доставки воды на большие расстояния, но не предлагаются методы создания ДВ с размером капелек ˜100 мкм (не используются преимущества ДВ). Так, например, в [10] предложена установка для метания жидкостей на большие расстояния (до нескольких милей), которую предлагается использовать, в частности, для тушения пожаров. Для метания используется жидкость, заключенная в сферические оболочки из тонкого способного гореть пластика. Размеры сфер точно не указываются, но в качестве примеров приводятся шарик для пинг-понга и футбольный мяч. Для увеличения дальности полета предлагается вместо гладких оболочек использовать оболочки со специально сделанными вмятинами, что согласно [10] способно значительно снизить гидродинамическое растяжение оболочек из-за возникающей с тыльной стороны зоны разрежения, которое может привести к преждевременному разрыву оболочки. Согласно [10] при попадании в пожар оболочки с водой происходит выгорание оболочки с высвобождением огромного количества воды. В каком виде при этом освобождается вода, не указывается. Поскольку никакие механизмы дробления воды при этом не используются, наиболее вероятно, что вся вода, или, по крайней мере, ее значительная часть при выгорании указанных оболочек выделится в виде крупных капель и струй (размером порядка нескольких миллиметров), а не в виде ДВ (с размером частиц ˜100 мкм), эффективной для тушения пожара.

В качестве прототипа данного изобретения был выбран способ доставки огнетушащего вещества в очаг пожара перемещением его в окружающем воздухе [11]. Согласно [11] отдельные порции огнетушащего вещества, например воды, до начала доставки их в очаг пожара помещают герметично в оболочки, изготавливаемые из газонепроницаемого материала, например, из полиэтиленовой пленки. При попадании в очаг пожара оболочки разрушаются или от удара о препятствие, или от воздействия огня и высокой температуры, или от срабатывания какого-либо устройства, размещенного внутри оболочки. Огнетушащее вещество покидает разрушенную оболочку и производит свое огнетушащее действие.

Основное внимание в [11], так же как и в [10], уделено повышению дальности доставки огнетушащего вещества (воды) в очаг пожара. При этом вопросы повышения эффективности взаимодействия с пламенем доставленного в очаг пожара огнетушащего вещества не рассматриваются. В [11] на основе расчетов дальности полета сферических оболочек размерами 5, 40 и 160 мм с использованием завышенного коэффициента сопротивления делается вывод, что струя воды по дальности полета может конкурировать лишь с оболочками размером 5-10 мм, а более крупные оболочки имеют над ней явное преимущество. Причем, чем тяжелее и обтекаемее оболочка, тем это преимущество больше. Т.е. предлагается использовать более крупные и тяжелые оболочки с размерами 40 мм и выше.

Вместе с тем, крупные оболочки могут оказаться неэффективными для тушения объемов или слоев горящей жидкости, например пожаров в нефтехранилищах, на танкерах с разливанием нефти по поверхности воды и т.п. Дело в том, что при доставке крупных оболочек в такие пожары прежде разрыва оболочек и высвобождения огнетушащего вещества может произойти их падение и потопление в жидкости. Удар оболочки о слой горящей жидкости может привести к ее разбрызгиванию. В итоге вместо подавления пожара может произойти его интенсификация.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания более эффективного способа пожаротушения, сочетающего в себе большую дальнобойность доставки воды и использование ДВ для тушения пожара, способной быстро тушить большие объемы пламени.

Согласно изобретению предлагается способ тушения пожара, основанный на использовании большого числа тонкостенных герметичных капсул, заполненных водой (или другой огнетушащей жидкостью), которые доставляют в очаг пожара. Способ отличается тем, что диспергирование содержащейся в капсулах воды осуществляется за счет тепловой энергии пожара, при этом размеры капсул выбираются из расчета возникновения паровых взрывов капсул при их движении в очаге подавляемого пожара. Тушение пожара согласно этому способу происходит следующим образом. Попадая в очаг пожара, капсулы с водой сначала нагреваются до кипения содержащейся в них воды, а затем взрываются из-за частичного перевода воды в пар и связанного с этим роста давления (паровой взрыв). В результате вода, заключенная в капсулах, переводится в мелкие капельки ДВ, которые заполняют зону пожара и благодаря их большой удельной поверхности обеспечивают интенсивный теплообмен с газовой средой пожара.

Оболочка капсулы, таким образом, играет двоякую роль. На стадии доставки она сдерживает воду в капсуле от преждевременного дробления, тем самым, увеличивая дальность доставки, а при взаимодействии с пламенем оболочка сдерживает образующийся пар, накапливая упругую энергию, часть которой затем, после разрыва оболочки, идет на дробление воды в капсуле (т.е. создание ДВ) и в кинетическую энергию капелек ДВ.

Технический результат данного изобретения, состоящий в увеличении объема зоны тушения и в снижении времени тушения пожара, достигается за счет использования капсул с тонкой, но имеющей некоторую ненулевую прочность, оболочкой, см. фиг.1. Вода 1 в капсуле заключена в оболочку 2, толщина стенок которой r<r. Форма капсул может отличаться от сферической.

Варьируя материал и толщину оболочки капсул, можно изменять пороговое давление возникновения парового взрыва воды в капсулах и, следовательно, характерный размер мелких капель, образующихся в результате этого взрыва.

Капсулы с водой предлагается доставлять в зону пожара каким-либо внешним источником. Одним из вариантов может быть доставка капсул в спутном потоке обычной водяной струи по навесной траектории, см. фиг.2. Вылетая из источника струи 1 и двигаясь по траекториям 2, капсулы попадают в зону пожара 3. В нижней части пожара будут возникать множественные паровые взрывы капсул 4 с образованием ДВ. Кроме того, эти взрывы могут привести к дроблению крупных капель воды из спутного потока струи, проникших в пожар, и, следовательно, к дополнительному увеличению удельной поверхности воды.

Варьируя размер капсул, а также параметры их источника (начальную скорость, угол наклона, расположение), можно добиться возникновения множественных паровых взрывов капсул в наиболее горячей зоне пожара, что обеспечит максимальное снижение теплового потока оттуда к топливу и создаст тем самым наиболее благоприятные условия для прекращения пожара.

В качестве другого варианта доставки капсул в зону пожара предлагается использование пневматической пушки, обеспечивающей высокую начальную скорость капсул, см. фиг.3. Этот вариант можно использовать для тушения крупномасштабных пожаров, когда требуется большая глубина проникания (в вертикальном и горизонтальном направлениях), а также необходимо преодолевать мощные потоки восходящего газа. Пушку для метания капсул 1 целесообразно располагать на некоторой высоте, наклонив ее ствол вниз, для попадания капсул в нижнюю (наиболее горячую) область пожара 2. В этом случае, благодаря имеющейся вертикальной составляющей начальной скорости капсул (на входе в зону пожара) u_0z можно достичь более низкого (глубокого) расположения области множественных паровых взрывов в зоне пожара, чем при использовании варианта с навесной траекторией полета капсул, для которого u _0z 0. Траектории полета капсул изображены на фиг.3 цифрой 3.

В качестве еще одного варианта, перспективного для тушения крупномасштабного пожара, предлагается использовать бомбу, первоначально состоящую из компактной упаковки большого числа капсул с водой, которая разваливается на отдельные капсулы при «подрыве». Для «подрыва» бомбы может использоваться сжатый негорючий газ или другой пожаробезопасный источник энергии. После доставки бомбы в пожар ее необходимо «подорвать», обеспечив тем самым разлет капсул и заполнение ими зоны пожара с последующими множественными паровыми взрывами и образованием ДВ. Конструктивная схема сферической (а) и цилиндрической (б) бомбы из капсул с водой изображена на фиг.4, где цифрами обозначены: 1 - сжатый газ; 2 - капсулы с водой; 3, 4 - оболочки, разрушающиеся при «подрыве»; 5 - неразрушаемые стенки. Для тушения пожара можно применить несколько таких бомб.

Выполнено расчетно-теоретическое обоснование предлагаемого способа тушения пожаров, на основании которого получено следующее:

1. Определена динамика движения и нагрева капсул с водой в пожаре применительно к варианту их доставки в зону пожара с помощью водяной струи по навесной траектории. По результатам расчетов с использованием модели пожара [12] показано, что для тушения пожаров с интенсивностью тепловыделения (мощностью) в диапазоне 1÷20 МВт эффективны капсулы с размерами ˜3÷5 мм. Нижняя граница этого диапазона определяется из условия, чтобы капсулы могли преодолевать сопротивление восходящих газовых потоков в пожаре и не увлекались ими вверх. Верхняя граница выбирается из условия возникновения паровых взрывов капсул до их падения на поверхность расположения источников горения (земля, поверхность жидкого горючего и т.п.). При тушении более мощных пожаров или при использовании других предлагаемых способов доставки капсул верхнее значение размера капсул может быть увеличено, но при этом следует учитывать, что в результате паровых взрывов капсул с размерами значительно больше 5 мм будут образовываться слишком крупные капельки ДВ и поэтому менее эффективные для тушения. Время нагрева до парового взрыва капсул с размерами ˜3÷5 мм составляет от десятых долей секунды до нескольких секунд в зависимости от мощности пожара и выбора высшей точки навесной траектории. Выбранные размеры капсул обеспечивают достаточно глубокое проникание их в зону пожара (для частицы с плотностью воды и диаметром d=4 мм даже при относительно небольшой начальной скорости u₀=10 м/с длина торможения в зоне пожара составляет L_торм 70 м).

2. Оценена динамика роста давления при паровом взрыве капсул. Показано, что длительность увеличения давления от 1 атм до ˜100 атм не превышает сотых долей секунды. Т.е. паровой взрыв капсул происходит практически мгновенно по сравнению с ее нагревом.

3. Определена динамика тушения пожара диспергированной водой, образующейся при паровых взрывах капсул. По результатам расчетов показано, что для снижения температуры 1 м ³ пламени в зоне тушения до безопасного уровня требуется около 0.5 кг воды или 15000 капсул с водой диаметром 4 мм.

Для проверки работоспособности предлагаемого способа тушения пожаров, а также с целью выбора приемлемых вариантов изготовления капсул с водой были выполнены первые опыты, которые одновременно демонстрируют пример конкретного исполнения капсул с водой. Было изготовлено 20 герметичных капсул с водой размерами около 5 мм. Десять капсул были изготовлены с наружной оболочкой из алюминиевой фольги (толщиной около 0.1 мм), другие десять - из тонкой резины (толщиной около 0.15 мм). Изготовленные капсулы помещались в пламя газовой конфорки. Во всех случаях были зарегистрированы паровые взрывы спустя 3-4 с после начала нагрева, сопровождавшиеся разрывом оболочек (горение резины при этом не наблюдалось). Двух капсул было достаточно для тушения пламени газовой конфорки диаметром 70 мм.

Для массового производства капсул с водой предлагаются два варианта их конструктивного исполнения:

1. Одним из возможных и дешевых вариантов может быть технология, аналогичная применяемой в фармакологической промышленности для изготовления герметичных капсул с жидкими лекарствами в полимерных оболочках, с той лишь разницей, что оболочка капсулы должна иметь некоторую заданную прочность и не растворяться в воде.

2. В качестве другого варианта промышленного производства капсул с водой предлагается изготавливать их из отрезков тонкостенных металлических трубок, концы которых необходимо обжимать или развальцовывать. При этом, естественно, металлические трубки должны быть предварительно заполнены водой (возможен также вариант проведения всех технологических операций непосредственно в воде).

Необходимое для тушения пожара количество капсул на 1 м³ зоны тушения ˜15000 кажется довольно большим только на первый взгляд. Уровень современных технологий позволяет надеяться на возможность изготовления значительно большего числа капсул в короткие сроки. Так, например, даже если для производства капсул используется всего один аппарат, производящий одну капсулу за 1 секунду, то 15000 капсул будут изготовлены всего лишь за 4 часа 10 минут.

Источники информации

1. Повзик Я.С. Пожарная тактика. М.: ЗАО «СПЕЦТЕХНИКА», 1999, с.39.

2. Корольченко А.Я. Технология импульсного водяного пожаротушения IFEX 3000 // Пожаровзрывобезопасность. 2001, №2, с.3-5.

3. Терпигорьев B.C., Соколов М.Ю., Щербаков О.П. Способ пожаротушения газожидкостной смесью и газожидкостная форсунка для его осуществления. Патент РФ №2074544, опубл. 27.02.1997.

4. Сундхольм Г. Способ пожаротушения и установка для осуществления этого способа. Патент РФ №2126282, опубл. 20.02.1999.

5. Терпигорьев B.C., Щербаков О.П., Малинов В.М. Установка для тушения пожара. Патент РФ №2193908, 20.03.2001.

6. Алексеев Ю.С., Донец В.В., Заволока А.Н., Кравчуковский В.Ф., Кремена А.П., Нода А.А., Свириденко Н.Ф., Сербин В.В. Устройство для получения струи жидкости с управляемой дисперсностью капель. Патент РФ №2209124, 27.07.2001.

7. Зуев Ю.В., Карпышев А.В., Лепешинский И.А. Способ пожаротушения с использованием летательного аппарата и устройство для его осуществления. Патент РФ №2131379, опубл. 10.06.1999.

8. Захматов В.Д., Кожемякин А.С. Перспективные импульсные устройства и автоматические системы пожаровзрывозащиты радиационно зараженных объектов // Пожаровзрывобезопасность. 1999, №5, с.69-72.

9. Вилесова М.С., Босенко М.С., Вилесов А.Д., Марей В.А., Суворова О.М., Ткачев Б.И., Халтуринский Н.А. Огнегасящий полимерный композиционный материал. Патент РФ №2161520, опубл. 10.01.2001.

10. Stolov М., Stolov S., Stolov A., Stolov-Hecht I. Arrangement for propulsion liquids over long distances. U.S. Patent. US 4696347. Publication date: 1987-09-29.

11. Холодков И.В. Способ доставки огнетушащего вещества в очаг пожара перемещением его в окружающем воздухе. Заявка на изобретение RU 2003120520, опубл. 27.12.2004.

12. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. М.: Стройиздат, 1990, с.132-140.