СПОСОБ ТУШЕНИЯ ОГНЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Заявляемые способ и устройство для тушения огня относятся к средствам тушения горящих продуктов различной природы и назначения, в том числе нефти, древесины, природного газа и их производных, а точнее к средствам тушения с использованием гранул диоксида углерода.

Известны высокоэффективные способы пожаротушения, основанные на применении газообразного, жидкого и твердого диоксида углерода. В процессе воздействия диоксида углерода из зоны огня вытесняется окислитель (воздух и т.п.). Минимальная концентрация СО₂, прекращающая горение разных продуктов, составляет от 13 до 16% (см. книгу П.Г.Демидов "Основы горения веществ", изд. Министерства коммунального хозяйства, Москва, 1951 г.). При использовании снега или гранул диоксида углерода снижается температура горения, т.к. в твердом состоянии СО₂ имеет температуру -78,2°С.

Необходимо отметить, что диоксид углерода не участвует в образовании парникового эффекта в атмосфере Земли и может быть использован при тушении разных видов горючих веществ, за исключением термитной реакции горения металлов.

В связи с отмеченным, в многочисленных изобретениях делаются попытки с той или иной степенью эффективности использовать твердый диоксид углерода для пожаротушения.

Из уровня техники известны способы тушения горящих жидкостей, хранящихся в резервуарах, "сухим льдом" путем локального введения раздробленного диоксида углерода под слой горящей жидкости компактными порциями. Диаметр дроби составляет 3-4 см (SU №1687266, А 62 С 3/06).

Согласно SU №776616, А 62 С 1/10 на горящую поверхность жидкости подают двуокись углерода в виде пористых сферических гранул, которые, интенсивно испаряясь, свободно перемещаются по поверхности жидкости за счет реактивных сил оттекающих газов. При этом происходит интенсивный теплообмен между двуокисью углерода и прогретым или гомеотермическим слоем жидкости, в результате чего поверхностный слой охлаждается до температуры, меньшей температуры вспышки, после чего горение прекращается.

Эффективность известных способов низка, т.к. подача твердого диоксида углерода производится в поверхностную зону в ограниченное пространство. Слипание гранул, а также их дробление на более мелкие части затрудняет подачу гранул в зону горения и их распределению в горящем пространстве.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа является решение, раскрытое в US №6442968, F 25 J 1/00.

Согласно известному решению пожаротушение осуществляют также твердым диоксидом углерода, который перед использованием получают в виде гранул путем распыления жидкой углекислоты в специально сконструированном для этих целей массивном огнетушителе. В зону горения готовые гранулы подают ротором, являющимся частью того же огнетушителя.

Недостатки указанного известного решения обусловлены прежде всего неразрывной связью процесса подачи гранул со стадией их изготовления, что осложняет подачу гранул в зону пожара, снижает эффективность пожаротушения, а также повышает его стоимость. При этом используемое устройство не обладает мобильностью и автономностью, а целиком зависит от источников энергии и сырья (жидкого оксида углерода). Следствием этого является осложнение подачи реагента в зону пожара, возрастание стоимости агрегатов тушения и осложнение оперативного перемещения устройства.

Необходимо отметить также, что ротор или сопло Лаваля, используемые для реализации известного способа, выбрасывают гранулы с разной скоростью, т.к. в двухфазной среде скорость гранул подчиняется закону нормального распределения, а также характеризуются большим расходом энергии для метания гранул, т.к. КПД механического устройства двухфазного метания крайне низок.

Из уровня техники известен способ тушения возгораний с использованием стрелкового или артиллерийского оружия для доставки агента для тушения - инертного газа. Последним заполняют емкости, форма которых аналогична снаряду с калибром соответствующего стрелкового или артиллерийского оружия, при этом инертный газ размещают в полости снарядов, предназначенных для взрывчатых веществ, снабженной плавкой вставкой (RU 2014857, А 52 С 19/00). В стационарных условиях газ удерживается заглушками из материала, температура плавления которого ниже температуры в зоне возгорания. При попадании емкости в зону наибольшей интенсивности возгорания заглушки плавятся, инертный газ освобождается из емкости и прекращает горение.

Необходимо отметить, что несмотря на то, что при реализации известного решения агент для тушения доставляется на значительные расстояния, эффективность способа не достаточно высока, что связано, прежде всего, с физико-химическими особенностями инертного газа. Использование металлических снарядов значительно удорожает процесс пожаротушения, а также несет реальную угрозу жизни людей.

Согласно решению, раскрытому в патенте RU 2053821, А 62 С 17/00, по огню стреляют снарядами с огнетушащим составом, размещенным в эластичной оболочке, из противопожарного орудия навесным способом.

Орудие, согласно известному решению, содержит средство метания снарядов с огнетушащим элементом путем разгона снарядов в стволе давлением на снаряд газообразного рабочего тела, систему создания указанного давления и опору, на которой установлено указанное средство метания. В известном устройстве для создания давления газа на снаряд в разгонном стволе предусмотрены накопительная камера с источником энергии и запальное устройство, между накопительной камерой и стволом имеется запорное устройство (ресивер), при этом запорное устройство содержит невозвратный запорный клапан с автоматической блокировкой, а на срезе выходного отверстия разгонного ствола смонтированы раздвижные надрезные ножи, установленные радиально относительно продольной оси разгонного ствола.

В качестве источника энергии в известном решении используется горючий газ, например пропан. Смесь пропана с воздухом воспламеняется электросвечой от электроисточника и создает давление, позволяющее разогнать снаряд с заданной скоростью. Ножи надрезают эластичную оболочку при вылете снаряда из разгонного ствола. В полете встречный поток воздуха надрывает (срывает) оболочку снаряда, а огнетушащий состав попадает на очаг пожара в виде распыленного порошка или аэрозоля. Для перезарядки известного устройства по расчетам специалистов требуется около 30 мин, что значительно снижает эффективность пожаротушения.

Необходимо отметить также, что, несмотря на значительное количество общих существенных признаков у заявляемого устройства и известного устройства, последнее невозможно использовать при тушении пожара гранулами диоксида углерода (воспламенение рабочего тела исключает возможность применения гранул диоксида углерода).

Наиболее близкими заявляемому комплексному решению являются способ тушения огня снарядами, содержащими гранулы диоксида углерода, направляемыми по баллистической кривой, и устройство для реализации этого способа, раскрытые в US №5507350, А 62 С 3/02, опубл. 16.04.1996 г.

Согласно решению-прототипу для тушения огня, в частности, используют артиллерийское орудие в виде самозарядной пневматической пушки. Из пушки стреляют капсулами, содержащими гранулы диоксида углерода. Капсулы заключены в прочную, герметичную оболочку. Пушка содержит средство метания снарядов, содержащих гранулы диоксида углерода, путем разгона упомянутых снарядов в стволе давлением на снаряд газообразного рабочего тела, систему создания указанного давления и опору, на которой установлена пушка.

Использование снарядов в герметичной оболочке препятствует созданию в процессе пожаротушения движущейся завесы от огня в виде облака из углекислого газа, а орудие требует частой перезарядки, что также снижает эффективность пожаротушения.

Задачей заявляемого комплексного технического решения, включающего два объекта - способ и устройство для его реализации - является повышение эффективности пожаротушения с использованием гранул диоксида углерода.

Поставленная задача решается за счет следующего.

1. При пожаротушении гранулы диоксида углерода вводят в зону горения по баллистической кривой снарядами, выполненными в виде брикетов с гранулами диоксида углерода, размещенных в пористых эластичных оболочках.

2. Устройство для тушения огня, используемое для реализации способа и связанное с ним единым изобретательским замыслом, содержащее средство метания снарядов с огнетушащим элементом путем разгона снарядов в стволе давлением на снаряд газообразного рабочего тела, систему создания указанного давления и опору, на которой установлено указанное средство метания, содержит:

- средство метания снарядов в виде самозарядной пневматической пушки, выполненной с возможностью эксплуатации в режиме непрерывной прицельной стрельбы снарядами в виде брикетов с гранулами диоксида углерода, размещенных в пористых эластичных оболочках. Реализация творческого замысла авторов возможна при наличии следующих частей и механизмов в устройстве:

1) контейнера для размещения снарядной ленты с указанными брикетами,

2) механизма подачи указанных брикетов в снарядной ленте в пушку, выполненного с возможностью отделения снарядов,

3) механизма автоматической перезарядки снарядов, кинематически связанного с механизмом подачи указанных брикетов,

4) пневматической системы создания давления газообразного рабочего тела, в качестве которого используется углекислый газ или азот или инертный газ, на снаряд-брикет,

5) лафета, на котором установлено средство метания снарядов.

Заявляемое устройство поясняется графическим материалом, представленным на Фиг.1 и Фиг.2. Фиг.1 - схематичное изображение одного из вариантов реализации заявляемого устройства в рабочем состоянии, Фиг.2 - схематичное изображение механизма подачи брикетов в снарядной ленте в пушку.

Самозарядная пневмопушка установлена на лафете 1. Лафет предназначен для придания стволу 2 пушки необходимого положения перед выстрелом (с помощью механизма наводки, на чертеже не показаны), для поглощения (противооткатными устройствами, на чертеже не показаны) части энергии отдачи при выстреле, а также для передвижения пушки. Лафет 1 может быть подвижным - на колесном или гусеничном ходу, а также полустационарным - на подвижном основании. Ствол 2 с каморой 3 (заснарядным пространством) предназначен для разгона снаряда 4 до необходимой скорости и обеспечения нужного направления его полета. Накопительная камера 5 предназначена для накопления фиксированного объема сжатого газа постоянного давления и соответственно для получения постоянной начальной скорости снарядов 4 при каждом выстреле. Накопительная камера 5 соединена каналом 6 с камерой 3 ствола 2. Запорный клапан 7 камеры 5 выполнен быстродействующим и установлен в канале 6. Закрывание клапана 7 осуществляется с помощью пружин 8, а его открывание производится приводом открывания 9, взаимодействующим с передним копиром 10, установленным на продольно-скользящем затворе 11.

Устройство снабжено ресивером 12, предназначенным для сглаживания колебаний давления в пневмосистеме пушки, выполненным в виде баллона со сжатым углекислым газом или азотом, или другим инертным газом, на входе которого установлен регулировочный клапан 13. Ресивер 12 подключен к баллону высокого давления 14 с углекислым газом или азотом, или другим инертным газом, являющемуся источником энергии для работы всех механизмов пушки. Ресивер 12 обеспечивает рабочее давление газа, равное ˜6 атм и более.

В контейнере 15 размещается снарядная лента 16 (выполнена из пористого эластичного материала, например из полиэтилена или пропилена, в ленту на равных расстояниях друг от друга включены снаряды 4 из спрессованных гранул диоксида углерода). Контейнер 15 установлен на лафете 1 и соединен гибким рукавом 17 с горловиной 18 механизма подачи 19 ленты 16, обеспечивающего движение снарядной ленты 16 из контейнера 15. Продольно-скользящий затвор 11 предназначен для направления снаряда 4 в камору 3 и механического запирания канала ствола 2. В конце рабочего хода затвор 11 механически включает привод открывания 9 запорного клапана 7. Движение продольно-скользящего затвора 11 осуществляет двусторонний пневмоцилиндр 20. В конце рабочего хода продольно-скользящий затвор 11 также включает клапан обратного хода 21, а в крайнем заднем положении - клапан рабочего хода 22. На переднем торце затвора 11 закреплен отделитель (нож) 23. Механизм подачи 19 снарядной ленты 16 состоит из входной горловины 18 и широкой звездочки 24, вращающейся на оси 25.

На продольно-скользящем затворе 11 закреплен ведущий элемент 26, который, взаимодействуя с вращающимся копиром 27, при рабочем ходе затвора 11 поворачивает звездочку 24 на один шаг, подавая очередной снаряд 4 на ось канала ствола 2.

Лафет 1 содержит основание 28, вращающуюся часть 29 и качающуюся часть 30. Основание 28 может быть установлено на земле или жестко закреплено на транспортном средстве, предназначенном для пожаротушения.

На вращающейся части 29 основания 28 установлены качающаяся часть 30 на цапфах 31, установки пневмооборудования баллона 14 и ресивера 12, вспомогательное оборудование - клапаны, манометры и т.п. - на чертежах не показаны. Качающейся частью 30 является сама самозарядная пневмопушка, на которой закреплены рукоятки 32 наведения ствола 2 по горизонтали и вертикали. На рукоятках 32 установлен ручной кран 33 подачи газа из ресивера 12 в накопительную камеру 5 и спусковой крючок 34 включения клапана рабочего хода 22 продольно-скользящего затвора 11.

Отделитель снаряда 23 закреплен на продольно-скользящем затворе 11 с возможностью взаимодействия с профильной поверхностью звездочки 24. Пневмоцилиндр 20 связан трубопроводами 35 с баллоном высокого давления 14 и ресивером 12.

Устройство для пожаротушения может быть укомплектовано не только установкой метания снарядов с диоксидом углерода, но и дополнительными устройствами: термостатированной емкостью для хранения контейнеров со снарядными лентами, устройствами перегрузки контейнеров на лафет, хранения запасных баллонов сжатого газа и др. Целесообразно предусмотреть места размещения пожарного расчета, обслуживающего самозарядную пневмопушку.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

Перед включением системы проверяют комплектность установки, наличие газового баллона, контейнера с необходимым количеством снарядных лент и их состояние, проверяют давление в баллоне и ресивере, проверяют свободное перемещение ствола. Без заряжения пушки лентой предварительно проверяют работу затвора и звездочки подачи ленты несколькими нажатиями спускового крючка.

Пушка должна сделать несколько холостых хлопков без последующего травления газа.

Собственно работу начинают с установки снарядной ленты 16 в звездочку 24 механизма подачи 19 первым снарядом 4, а именно в предпоследнее гнездо звездочки 24, включают ручной клапан 33 и нажимают спусковой крючок 34, под действием которого открывается клапан рабочего хода 22 двухстороннего пневмоцилиндра 20 продольно-скользящего затвора 11. Затвор 11 перемещается вперед ведущим элементом 26 через вращающийся копир 27, который вращает звездочку 24, перемещая снаряд 4 на линию канала ствола 2. При дальнейшем перемещении затвора 11 происходит отделение снаряда 4 ножом 23 от ленты 16, и затвор 11 досылает снаряд 4 в ствол 2. При этом происходит запирание канала ствола 2 снарядом 4. В конце хода затвор 11 передним копиром 10 нажимает привод открывания 9 запорного клапана 7, газ мгновенно заполняет объем каморы 3 через канал 6 и начинается разгон снаряда 4. На пути разгона длиной 0,3 м снаряд 4 массой 1 кг приобретает скорость ˜25 м/с.

Одновременно включается клапан обратного хода 21 затвора 11. Затвор 11 начинает движение назад, закрывается запорный клапан 7 и начинает заполняться накопительная камера 5 сжатым газом из ресивера 12 с регулировкой клапаном 13. Ресивер 12 пополняется газом из баллона 14. Затвор 11 возвращается в исходное положение, при этом вращающийся копир 27 подготавливает звездочку 24 к следующему повороту. При возврате затвора 11 в крайнее заднее положение включается клапан рабочего хода 21. Цикл работы повторяется до момента отпускания спускового крючка 34, при этом закрывается клапан рабочего хода 21.

После израсходования снарядной ленты 16 на место пустого контейнера 15 устанавливают новый контейнер, и новая лента 16 через гибкий рукав 17 заправляется в механизм подачи 19. Ручной кран 33 закрывают.

КПД ствола достигает значения 0,3. Брикеты непрерывно подаются механизмом подачи в ствол, в который из баллона со сжатым газом через ресивер с давлением 6 атм газ подается через регулирующий клапан в ствол, брикет в стволе разгоняется сжатым (˜2 атм) газом и выстреливается по баллистической кривой в зону огня. Регулирование точности и дальности попадания подчиняется известным законам баллистики.

Метание брикетированного твердого диоксида углерода ствольной пневмопушкой с автоматическим устройством перезарядки позволяет осуществлять массированную подачу брикетов в очаг огня. Расчеты показывают, что при массе брикета m=1 кг и скорости метания V=25 м/с затрачиваемая на метание брикета энергия Е будет равна:

.

При диаметре ствола 100 мм и сечении (S), равном ˜80 см² в условиях максимального давления в стволе ≅6 атм и среднего давления в стволе ΔР_ср≅2 атм усилие на брикет Р_св составит:

Р_св=ΔР_св·S=2·80=160 кг·с=1600 Н.

При указанных параметрах оптимальная длина ствола l_ств определяется из соотношения:

Е - затрачиваемая энергия, Нм;

Р_св - усилие на брикет, Н.

Максимальная дальность баллистического метания брикета L при наклоне ствола под углом α=45° к горизонту без учета сопротивления воздуха при этом существенна и составит:

V=25 м/с - скорость метания.

При указанном низком уровне давления газа при метании пушка может быть изготовлена тонкостенной, что делает ее легкой и удобной для стрельбы по большой зоне огня, при этом устройство метания может находиться на значительном расстоянии от зоны теплового влияния пожара.

Из вышеизложенного следует, что аналогичным образом могут быть рассчитаны баллистика и параметры пушки, имеющей больший диаметр и позволяющей использовать брикеты весом более 1 кг.

В ходе исследования компьютерной модели и экспериментального изучения сублимации гранул (брикетов) диоксида углерода при разных температурах горения древесины, нефти, природного газа авторами получены данные, представленные в таблице 1.

Расчетная дальность полета брикета (диаметр 100 мм) из диоксида углерода в зоне огня до полного его испарения при скорости V=25 м/с составит величину, указанную в табл.2

Следовательно, при проектной дальности баллистического метания пушки 60 м брикеты создают по всей глубине полета углекислотное облако и еще сохраняют в зоне падения в огне при разных температурах горения пожара соответственно 68%, 63%, 60% и 40% своего объема, тем самым создавая углекислотную завесу в точке попадания брикетов диоксида углерода.

Таким образом, обеспечивается повышение эффективности пожаротушения не только за счет доставки огнетушащего реагента на дальнее расстояние и воздействия на обширную площадь возгорания, но и за счет сохранения целостности брикетов диоксида углерода на всей трассе метания в зоне огня.

Использование полимерной эластичной пористой оболочки для транспортировки компактированных гранул сухого льда при баллистическом метании обеспечивает следующие преимущества:

- свободный выход газообразного углекислого газа через пористую полимерную оболочку вследствие их частичного испарения в транспортной полимерной ленте до выстрела. Благодаря этому сохраняется размер оболочки без раздутия, что непременно имело бы место при использовании сплошной беспористой оболочки. Раздутие оболочки препятствует заряжению ствола из-за размерной несовместимости;

- лучшее сопряжение по размерам ствола, т.е. обтюрация (плотная посадка) метаемого тела с каналом ствола, благодаря сохранению эластичности оболочки брикетов, в которые заключены гранулы диоксида углерода;

- достижение плотной обтюрации метаемого тела с каналом ствола по всей его длине позволяет более эффективно использовать рабочее давление в стволе, повысить КПД баллистического метания и тем самым увеличить дальность метания или соответственно снизить расход сжатого газа (т.е. снизить стоимость затрат).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о преимуществах баллистической подачи брикетированного диоксида углерода в зону горения, при этом возможно регулирование подачи брикетированного диоксида углерода за счет регулирования скорострельности от одиночных пневмовыстрелов до автоматических очередей, определяемых по длительности и скорострельности возможной емкостью контейнера и техническим совершенством механизма подачи брикетов в ствол. Разогрева устройства высокой скорострельности быть не может, т.к. брикеты имеют высокую хладоемкость, поэтому устройство должно иметь только тепловую изоляцию от холода для безопасности и удобства обслуживания.

Одной из характеристик, определяющих эффективность пожаротушений, служит количество диоксида углерода, требуемого для прекращения горения в воздушной среде, т.е. 16% (что следует из данных, приведенных в книге Л.Г.Демидова, ссылка на которую дана выше).

Достижение этой концентрации (16%) в 1 м³ объема производится при испарении 0,2 кг брикета из диоксида углерода, т.е. брикет в 1 кг обеспечивает прекращение огня в объеме 5 м³. У лучших аэрозольных огнетушителей этот показатель в 2 раза ниже.

Предлагаемые способ и устройство тушения огня при скорострельности 10-20 выстрелов в минуту позволяют в течение 1 минуты достичь прекращения огня в объеме 100 м³, т.е. в объеме одной средней квартиры. При этом брикеты диоксида углерода прицельно могут быть доставлены на высоту 20-ти этажного дома.

Основные преимущества тушения пожаров заявляемым решением состоят в следующем:

- баллистическое метание хладагента в зону огня отличается высоким КПД использования энергии (0,3), что позволяет минимизировать по массогабаритным параметрам устройство пожаротушения;

- созданы условия для использования дискретных брикетов диоксида углерода в виде непрерывной "струи" - очередь летящих брикетов при стрельбе очередями;

- более эффективное тушение, превышающее существующие водоструйные, пенные и аэрозольные средства тушения не только по объемному подавлению пожаров, но и по дальности дистанционного блокирования распространения огня;

- обеспечение предупреждения и подавление газовых и нефтегазовых пожаров путем динамического разрыва горящей струи, переохлаждения твердым диоксидом углерода нефтегазохранилищ, цистерн, баллонов и т.п.;

- мобильность использования брикетов и метательной пушки без необходимости их длительного хранения и специальных затрат на стационарное оборудование;

- обеспечение тушения включенных, находящихся под током горящего электрооборудования и энергоустановок при напряжении до 10 тыс. вольт;

- обеспечение дистанционного управления пожаротушением при расположении ствольных устройств на турели или лафетах, которые могут быть роботизированы;

- снижение затрат на подготовку брикетов диоксида углерода, используя их централизованное изготовление на кустовых (зональных) агрегатах, обслуживающих пожароопасные районы жизнедеятельности человека;

- снижение затрат и трудоемкости процесса тушения пожара в целом;

- экологическая безопасность при использовании диоксида углерода.

Оптимально брикеты диоксида углерода производить известными индустриальными методами, связь брикетов в цепь легко осуществима по принципу производства колбасы, сарделек, например, на упаковочно-фасовочном оборудовании, реализуемым ООО "Интермаш" (адрес в Интернете http://www.rau.su/expo/Katal_99/9_133_1.НТМ), в частности на автоматах для фасовки и упаковки сыпучих продуктов в п/п или п/э пакеты с весовым или объемным дозатором, а также полуавтоматах для фасовки и упаковки сыпучих продуктов в п/п или п/э пакеты с весовым, объемным или электронным дозатором. Возможно использование оборудования, известного из публикаций, например из RU з.95110474, А 62 С 11/00 и др.

Транспортировка к местам возгорания в термостатированных контейнерах может осуществляться с упреждением или непосредственно.

Представленные в заявке примеры реализации изобретения не исключают существование других вариантов реализации, не изменяющих сущности решения.