Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к способам и устройствам для предотвращения пожара или сдерживания огня при возгораниях на больших площадях, и может быть использовано при ликвидации возгораний на промышленных и общественных объектах.

Известен способ тушения пожаров [RU 2396095 C1, МПК A62C 3/00 (2006.01), опубл. 10.08.2010] с помощью пламегасящего водного раствора соли калия, который подают в очаг горения в виде объемного аэрозольного потока с диапазоном размеров частиц 5-80 мкм с интенсивностью не менее 0,02 л/(м²с).

Недостатком данного способа является недостаточная интенсивность испарения тушащей жидкости (парообразования) в зоне пламени из-за содержания в ней солей-ингибиторов горения. Больше времени требуется для снижения температуры пламени до температур прекращения горения. Поэтому возрастает расход тушащего состава и, как следствие, увеличивается общее время ликвидации пожара. Малые размеры частиц жидкости при тушении возгораний, особенно очагов крупных лесных пожаров, приводят к изменению направления движения большей части аэрозольного потока, его развороту и уносу в окружающую атмосферу с восходящими продуктами сгорания.

Известен способ пожаротушения в помещениях [RU 2370292 C2, МПК A62C 3/00 (2006.01), A62C 35/02 (2006.01), A62C 27/00 (2006.01), опубл. 20.10.2009], включающий отбор огнегасящей капельной жидкости и ее импульсную подачу на поверхности горящих объектов. Огнегасящую жидкость распыляют равномерно по всему объему помещения с орошением стен и всех поверхностей, находящихся в нем объектов. Последующие импульсные подачи осуществляют в начале очередной активизации пожара, а длительность импульсной подачи выбирают из расчета достижения такого состояния, когда все помещение одновременно занято движущимися частицами воды или пара.

Недостатком данного способа, наряду с сильным заливом всей площади помещения водой, является трудность его реализации, связанная с необходимостью прогностического определения момента очередной активизации пожара, а также подсчета времени распыления и массы затрачиваемой при распыле воды.

Известен способ тушения пожаров [SU 1247019 A1, МПК4 A62C 1/06, опубл. 30.07.1986], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в подаче распыленной струи воды на очаг пожара, причем распыленную струю создают с переменной по сечению струи дисперсностью, а подачу на очаг пожара осуществляют с увеличением дисперсности от центра очага пожара к его периферии.

Переменная дисперсность потока приводит к его неравномерному испарению в пламенной зоне горения. Конечным итогом такого воздействия является равномерное орошение горящей поверхности водой, что при продолжительном воздействии приводит к значительному расходу воды, а также заливу ей помещения. Ущерб от такого воздействия может намного превышать убытки, причиненные самим пожаром.

Известно устройство для формирования одноразмерных капель жидкости или пузырьков газа [RU 123516 U1, МПК G01F 11/00 (2006.01), опубл. 27.12.2012], содержащее резервуар с жидкостью или газом и присоединенный к нему недеформируемый капилляр, внутри которого размещен жесткий, не касающийся стенок капилляра заостренный сердечник, конец которого смещен относительно торца капилляра. Конец жесткого сердечника может быть смещен наружу на расстояние, превышающее внутренний диаметр капилляра или внутрь капилляра на расстояние, не превышающее внутренний диаметр капилляра.

Известно устройство для образования капель однообразных размеров [SU 1682 A1, МПК6 B01J 2/02, опубл. 30.09.1926], в котором через каждую пару соседних выпускных отверстий в дне сосуда пропущены концы согнутой дугой проволоки меньшего диаметра, чем диаметр отверстий, служащей для сберегания капельной жидкости и образования на концах проволоки капель наперед заданной величины.

Указанные устройства не позволяют сгенерировать одинаковые по размерам последовательные капли жидкости с контролируемым расстоянием между ними, так как расстояние между каплями в них зависит только от частоты генерации капель. С увеличением частоты генерации расстояние между движущимися каплями уменьшается, однако при этом существенно меняется их размер.

Известен прибор для получения мелких одиночных капель жидкости [SU 84581 А1, МПК6 G01N 11/04, опубл. 01.01.1950], выполненный в виде горизонтально расположенной трубки с непрерывно поступающей в нее жидкостью и возвратно-поступательного перемещающегося вдоль этой оси трубки стержня, при своем движении периодически приходящего в соприкосновение с мениском жидкости в трубке и при отрыве от мениска выбрасывающего наружу одиночную каплю.

Траектория полета одиночной капли, сгенерированной этим устройством, имеет вид параболы, так как капля отрывается от мениска стержнем в горизонтальном направлении, что впоследствии под действием силы тяжести приводит к ее перемещению по дуге параболы. Таким образом, даже установка друг над другом на фиксированном расстоянии нескольких таких устройств делает неосуществимой задачу генерации последовательно движущихся капель из-за сложностей прогнозирования траектории их перемещения, которая зависит от диаметров стержня и трубки, а также свойств жидкости и ее количества в трубке. К тому же для варьирования размеров капель необходимо менять диаметры трубки и стержня.

Известно устройство для дозирования жидкости одиночными каплями [RU 73654 U1, МПК B65D 47/18 (2006.01), опубл. 27.05.2008], принятое в качестве прототипа, предназначенное для формирования одиночных периодически повторяющихся капель и содержащее капельницу с внутренним поворотным каналом и капленаправляющим наконечником с вертикальной осью, соединенную гибким трубопроводом с сосудом для жидкости, связанным с механизмом регулирования гидростатического давления. Капельница снабжена приводом возвратно-поступательного вертикального перемещения, выполненным с возможностью создания одиночного положительного импульса гидростатического напора с амплитудой и длительностью, обеспечивающими формирование отрываемой капли.

Привод возвратно-поступательного вертикального перемещения выполнен в виде кулачкового механизма, подпружиненный толкатель которого жестко связан с капельницей, а кулачок - с нереверсивным электродвигателем.

Недостатком данного устройства является невозможность генерации последовательно движущихся капель с малым расстоянием между ними. Это связано с тем, что жидкость в емкости находится под атмосферным давлением, и при опускании капленаправляющего наконечника необходимо выждать определенное время для того, чтобы капля жидкости смогла сформироваться и оторваться от наконечника.

Задачей предлагаемой группы изобретений является уменьшение количества расходуемой на тушение пожара воды, а также сокращение времени его ликвидации.

В способе воду подают в зону пожара в виде последовательно-параллельного капельного потока с радиусами - R_d капель от 0,5 мм до 1 мм с использованием устройства пожаротушения. Выбор начальных размеров капель воды и расстояния между ними по горизонтали и вертикали осуществляется исходя из высоты помещения.

Устройство пожаротушения содержит n-модулей пожаротушения, каждый из которых содержит капленаправляющий наконечник, привод возвратно-поступательного вертикального перемещения в виде кулачкового механизма, подпружиненный толкатель.

Каждый из n-модулей пожаротушения содержит корпус в форме параллелепипеда, на двух смежных сторонах которого выполнены выступы, на двух других сторонах - пазы. В нижней части корпуса в несколько рядов выполнено n отверстий, в которые установлены капленаправляющие наконечники, снабженные шаровыми обратными клапанами. Верхняя центральная часть корпуса сообщена с полым металлическим цилиндром, снабженным крышкой. Полость цилиндра через гибкий трубопровод, снабженный шаровым обратным клапаном, соединена с емкостью с водой. Внутри цилиндра расположен поршень с резиновым уплотнителем. Шток поршня внутри цилиндра снабжен круговой юбкой. Между круговой юбкой и соответствующими выступами внутри цилиндра установлена пружина. Выступающий из цилиндра через отверстие в крышке второй конец штока сопряжен с кулачком. В отверстие кулачка вставлен вал нереверсивного электродвигателя.

Предложенное использование n-модулей пожаротушения позволяет сгенерировать последовательно-параллельный капельный поток, полностью испаряющийся при прохождении высокотемпературных продуктов сгорания и пламенной зоны горения. Результаты экспериментальных и теоретических исследований показывают, что для оптимального (наиболее эффективного) использования воды при тушении возгораний нужно добиться того, чтобы капли полностью испарялись при прохождении пламени и высокотемпературных продуктов сгорания. За счет интенсивного и полного испарения воды снижается температура в зоне пожара, а образующееся в результате испарения паровое облако постепенно заполняет весь объем помещения и вытесняет окислитель (кислород) из зоны пожара. Это приводит к затуханию пожара.

С использованием подхода к оценке степени испарения воды, приведенного в статье «Стрижак П.А. Влияние распределения капель в «водяном снаряде» на температуру и концентрацию продуктов сгорания в его следе // Инженерно-физический журнал. 2013. Т. 86, №4. С. 839-848», была составлена математическая модель, с помощью которой удалось определить оптимальные расстояния между каплями воды, при которых они будут полностью испаряться по всей высоте пламени. Так, в частности, расстояния между параллельно движущимися каплями целесообразно выдерживать от 2R_d до 3R_d, а между последовательно перемещающимися - от 5R_d до 7R_d. При таких расстояниях между каплями можно минимизировать вероятность их слияния или дробления, а также уменьшить влияние на условия испарения соседних капель, тем самым увеличив температуры в окрестности капель и скорости их испарения. С использованием такого подхода можно прогнозировать оптимальные размеры капель и расстояния между ними для заполнения водяным паром пламенных зон горения разных размеров, и, как следствие, достижения максимальной эффективности тушения пожара.

Таким образом, подача воды в зону пожара в виде последовательно-параллельного капельного потока позволяет уменьшить количество используемой для тушения воды и сократить время ликвидации пожара.

В таблице 1 приведены значения радиусов капель воды (по результатам экспериментальных исследований), при которых капли способны полностью испариться во время движения в потоке высокотемпературных (1100 К) продуктов сгорания (при прохождении каплями различных расстояний).

В таблице 2 приведены объемы воды, достаточные для полного заполнения помещения паровым облаком для разных размеров помещений.

На фиг. 1 изображен модуль пожаротушения перед генерацией капель.

На фиг. 2 показан вид снизу предлагаемого модуля пожаротушения.

На фиг. 3 изображен модуль пожаротушения после генерации капель.

На фиг. 4 показан пример устройства пожаротушения, состоящего из девяти модулей пожаротушения.

Устройство для тушения пожаров содержит n-модулей пожаротушения. Модули соединены между собой посредством пазов и соответствующих им выступов, выполненных в торцах их корпусов.

Каждый модуль пожаротушения (фиг. 1) содержит корпус 1 в форме параллелепипеда, на двух смежных сторонах которого выполнены выступы, на двух других сторонах - пазы, при помощи которых модули соединяют между собой в единую конструкцию. В нижней части корпуса 1 в несколько рядов выполнено n отверстий (фиг. 2), в которые установлены капленаправляющие наконечники 2, снабженные шаровыми обратными клапанами 3. Верхняя центральная часть корпуса 1 сообщена с полым металлическим цилиндром 4, снабженным крышкой 5. Полость цилиндра 4 через гибкий трубопровод 6, снабженный шаровым обратным клапаном 7, соединена с емкостью с водой (не показана). Внутри цилиндра 4 расположен поршень 8 с резиновым уплотнителем 9. Шток 10 поршня 8 внутри цилиндра снабжен круговой юбкой. Между круговой юбкой и соответствующими выступами внутри цилиндра установлена пружина 11. Выступающий из цилиндра 4 через отверстие в крышке 5 второй конец штока 10 сопряжен с кулачком 12. В отверстие кулачка 12 вставлен вал нереверсивного электродвигателя (не показан).

Воду к устройству подают по гибкому трубопроводу 6, соединенному с емкостью с водой под давлением. При помощи вала электродвигателя осуществляют поворот кулачка 12. Шток 10 с закрепленным на нем поршнем 8 передвигаются вниз, сжимая пружину 11. Параллельно с этим вода поршнем 8 и резиновым уплотнителем 9 выдавливается из внутренних полостей емкости 1 и полого цилиндра 4. Одновременно происходит закрытие обратного шарового клапана 7, открытие обратных шаровых клапанов 3 в капленаправляющих наконечниках 2 и выдавливание из них капель (фиг. 3). Капли воды отрываются, происходит дальнейший поворот кулачка 12, разжимание пружины 11 и движение вверх поршня 8 с резиновым уплотнителем 9. При этом обратные шаровые клапаны 3 в капленаправляющих наконечниках 2 закрываются, и открывается обратный шаровый клапан 7, вода начинает наполнять внутренние полости емкости 1 и полого цилиндра 4. Далее весь процесс повторяется.

Предлагаемый способ тушения пожаров заключается в следующем. При обнаружении возгорания проводится запуск (автоматически либо вручную) системы, состоящей из n предлагаемых модулей пожаротушения. Размещенные в верхней части помещения (под потолком) устройства начинают генерацию последовательно-параллельного капельного водного потока (фиг. 4). Параметры потока задаются на стадии сборки системы таким образом, что при прохождении расстояния от потолка до нижней части помещения капельный поток полностью испаряется (используются данные таблицы 1). При этом образовавшееся в результате испарения капель воды паровое облако постепенно заполняет весь объем помещения и вытесняет окислитель (кислород) из зоны пожара. Пожар затухает. Производят остановку системы.

Для автоматического включения и выключения системы она может быть снабжена комплектом тепловых и дымовых датчиков, по сигналу которых будет проводиться ее запуск и, соответственно, остановка.

Генерацию капель проводят с такой скоростью (выбирают скорость вращения вала нереверсивного электродвигателя), чтобы расстояние между последовательно перемещающимися каплями (рядами таких капель) не превышало от 5R_d до 7R_d. При этом размеры капель выбирают исходя из высоты потолка помещения, руководствуясь данными таблицы 1.

В таблице 2 приведены характерные объемы воды (по результатам исследований), достаточные для полного испарения капель (начальные радиусы не более 0,5 мм) и формирования парового облака в зоне горения. При получении данных учитывались типичные температурные и концентрационные следы капель при варьировании расстояний между ними. Значения объемов воды, приведенные в таблице 2, вычислены для условий, при которых параллельно движущиеся капли были удалены относительно друг друга на 3R_d, последовательно перемещающиеся - на 5R_d.

Численные оценки (таблица 2) показывают, что применение предложенного способа намного экономичнее использования обычных дренчерных или спринклерных установок пожаротушения, в которых расход воды на один ороситель может достигать до 0,5 л/с. Кроме того, следует отметить, что с учетом возможности обеспечения разных температур в следе капель можно организовать формирование паровых облаков за счет последовательной подачи капель с уменьшающимися (от ряда к ряду) начальными размерами. В этом случае значения затраченных объемов воды станут еще меньше, чем представлено в таблице 2. Например, при размерах первых капель R_d=0,3 мм и последних не более 0,1 мм возможно снижение значений объемов, приведенных в таблице 2, на 15-25%.