СПОСОБ ТУШЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПОЖАРОВ

Изобретение относится к области пожаротушения. Проблема тушения пожаров больших масштабов, например лесных пожаров, пожаров торфяников, а также возможных пожаров населенных пунктов, в том числе и в крупных городах в результате, например, военных действий, до настоящего времени практически не решена. Тем не менее они приносят огромный ущерб. Так, в США по данным Национального комитета по вопросам пожарной охраны ежегодные убытки от пожаров (их количество достигает 2,5 млн. в год) составляют около 3 млрд. долларов, а с учетом косвенных потерь 11 млрд. в год. В 1972 г. от пожаров погибло 12 тыс. человек и пострадало около 300 тыс. [4]. Эта проблема присуща и России, о чем свидетельствуют, хотя бы практически, ежегодные лесные пожары огромных масштабов. Особенно эта проблема проявилась в России летом 2010 года, повлекшая за собой утрату крупных материальных средств, гибель сел и деревень, гибель людей.

Известны различные способы пожаротушения [1, 3, 4, 5], которые в конечном счете сводятся к охлаждению очага пожара, локализации очага путем перекрытия доступа воздуха к горящим материалам, в том числе накрытием очага различными средствами, например негорючей пеной, ингибированием процесса горения и т.д. Однако эти способы применимы преимущественно для тушения сравнительно небольших пожаров. Основным способом пожаротушения крупных пожаров является в настоящее время орошение очагов пожара водой с помощью различных технических средств как наземных, так и с помощью летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, дирижаблей и т.д.). В любом случае для тушения этим способом требуется доставка к зоне пожара воды различными транспортными средствами на большие расстояния, поскольку в зоне пожара не всегда оказываются естественные или искусственные водоемы. В конечном счете такой способ является трудоемким, малоэффективным и чрезвычайно дорогостоящим при тушении крупномасштабных пожаров, что и было показано при организации и в процессе борьбы с лесными пожарами летом 2010 года. Однако мы считаем, что недостаток воды, а порой и ее отсутствие может быть компенсировано предлагаемым способом тушения пожаров по данному изобретению.

Действительно, известно [1, 2, 5], что атмосферный воздух в своем составе сдержит значительную массу воды в газообразном (парообразном) состоянии. Насыщенный влажный воздух описывается двумя параметрами - температурой и давлением. Содержание водяного пара в насыщенном влажном воздухе описывается уравнением фазового равновесия Рауля

ν₂=Р₂/Р,

где ν₂ - мольная доля водяного пара в насыщенном влажном воздухе;

P₂ - парциальное давление чистого водяного пара;

Р - давление атмосферное.

Массовая доля водяного пара в воздухе составляет относительно малую величину

m₂=v₂*µ₂/µ₁,

где m₂ - массовая доля водяного пара в воздухе;

µ₂ и µ₁ - мольные массы воды и воздуха соответственно.

Относительно небольшая массовая доля водяного пара в воздухе еще не свидетельствует о массе воды в воздухе, поскольку объем воздуха над зоной пожара представляет огромную величину.

На практике свойства влажного воздуха характеризуются следующими параметрами:

абсолютная влажность - масса воды в единице объема воздуха (плотность водяного пара ρ₂=m₂/ν, где ν - удельный объем воздуха);

относительная влажность ϕ=ρ₂/ρ₁, где ρ₁ - плотность насыщенного влажного воздуха;

относительная энтальпия i=I/M₁ - отношение энтальпии воздуха к его массе;

температура точки росы - это та температура, при которой воздух данного состава при данном давлении становится насыщенным.

Связь между основными параметрами влажного воздуха устанавливается с помощью 1,d-диаграммы, где d - влагосодержание, т.е. отношение массы влаги к массе воздуха.

Поскольку массовая доля влаги в воздухе мала, то можно считать d~m₂.

На рисунке 1 представлена схема 1,d-диаграммы для влажного воздуха при атмосферном давлении 1,01325*10⁵ Па, которую можно использовать и для других близких к нормальному давлений. По этой диаграмме нетрудно рассчитать, например, какое количество (масса) воды содержится в 1 м³ воздуха при атмосферном давлении и температуре +36°С (температура воздуха в июле - августе 2010 года) при относительной влажности 60% для температуры точки росы.

Будем считать давление равно 1,013*10⁵ Па. Для температуры +36°С и относительной влажности 60% по диаграмме получаем d=22,0*10^-3, температура точки росы 25,6°С. Далее рассчитываем давление водяного пара по формуле

d=µ₂/µ₁*Р₂/(Р-Р₂), из которой найдем давление пара

P₂=dµ₁P₁/(µ₂+dµ₁).

Подставляем в последнее уравнение данные: влагосодержание 2,2*10^-2, атмосферное давление 1,013*10⁵ Па, молекулярную массу воздуха 29 г/моль, молекулярную массу воды 18 г/моль. Получаем давление пара 3,468*10³ Па.

Рассчитываем удельный объем насыщенного воздуха по формуле

ν=R_уд Т/Р,

где R_уд - удельная газовая постоянная воздуха;

Т - термодинамическая температура воздуха на момент оценки (273+36=309).

R_уд=R₀/µ₂,

где R₀ - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К;

µ₂ - молекулярная масса воздуха.

Получаем значение удельного объема воздуха v=0,875 м³/кг. Отсюда абсолютная плотность воздуха

ρ₂=d/ν=2,51*10^-2 кг/м³

т.е. в 1 м³ воздуха содержится 25,1 г паров воды. В столбе воздуха с основанием 1 м² и высотой 1 км воды содержится около 25 кг (25 литров на 1 м). Согласно статистике в среднем над каждым 1 м² земной поверхности содержится около 28,5 кг водяного пара. На высоте более 1,5 км содержание водяного пара существенно меньше, чем в приземных слоях.

Таким образом, атмосферный воздух над очагом пожара крупного масштаба можно считать источником средства тушения пожара - воды.

Изучение патентной и научно-технической информации позволило выявить многочисленные способы тушения пожаров, которые, к сожалению, относятся в основном к не крупномасштабным. Что касается, например, лесных пожаров, то прекращение горения достигается воздействием на поверхность горящих материалов охлаждающих огнетушащих средств, в том числе разбавление горючих веществ негорючими парами. Помимо воды используются пены, углекислый газ, азот, порошки, химические ингибиторы горения. Подача огнетушащих средств осуществляется пожарной техникой, пожарными автомобилями, пожарными поездами, пожарными судами, огнетушителями и т.д. Наиболее распространенным способом тушения торфяных пожаров является способ орошения водой [5].

Доставка воды может осуществляться с помощью осушительных канав, в которые вода нагнетается из водоемов.

Предлагаемый способ существенно отличается от перечисленных тем, что

воду для тушения пожара получают из атмосферного воздуха, расположенного над зоной пожара, путем охлаждения объема воздуха над этой зоной до температуры ниже температуры точки росы,

охлаждение воздуха производят с помощью равномерного распределения в объеме воздуха над зоной пожара испаряемого сжиженного азота из емкостей, находящихся в летательных аппаратах, например вертолетах, послойно на различных высотах в диапазоне от примерно 1500 до нескольких сотен метров от поверхности грунта. Одновременно охлаждение воздуха в зоне пожара испаряющимся сжиженным азотом производят также из емкостей, размещаемых на поверхности грунта по периметру фронта пожара и включаемых одновременно с орошением воздуха испаряющимся сжиженным азотом с летательного аппарата,

массу сжиженного азота, необходимого для охлаждения воздуха над зоной пожара до температуры ниже температуры точки росы, рассчитывают по термодинамическим соотношениям исходя из получения необходимого количества сконденсированной воды из воздуха для гарантированного тушения пожара.

Преимущества предлагаемого способа над известными изложены выше. Дополнительно нужно отметить, что использование азота для тушения пожара полезно также тем, что в объеме воздуха, куда поступает азот, наряду с охлаждением имеет место смещение баланса соотношения в воздухе кислорода и азота в пользу последнего. Азот, как инертный газ, также в определенной степени способствует повышению эффективности тушения пожара.

Собственно тушение пожара по предлагаемому способу осуществляется естественным путем за счет интенсивной конденсации водяного пара из атмосферы в виде дождя и дополнительные технические средства практически не требуются.

Таким образом, заявляемый способ тушения крупномасштабных пожаров соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «изобретательский уровень».

В целом заявляемое техническое решение и его реализация будут способствовать решению государственной проблемы недопущения катастрофических последствий в результате возникновения крупномасштабных пожаров, которые, к сожалению, случаются в разных странах, в том числе и в России.

Источники информации, принятые во внимание

1. Большая российская энциклопедия.

2. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. 6-е изд. - М., 2004.

3. Изобретения (заявки и патенты). Официальный бюллетень.

4. Большая советская энциклопедия, изд. Третье, т.20, - М.: Советская энциклопедия. 1975.

5. Безопасность жизнедеятельности. Под ред. Н.А.Михайлова, - СПБ. Питер, 2009. - 461 с., ил.

6. Бородин О.Е. Техническая термодинамика, теплообмен, горение. МО СССР. - М., 1972.