Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА В МОДУЛЕ

Изобретение относится к пожарному делу и может использоваться при тушении пожаров в помещениях (модулях) стационарных и подвижных объектов, функционирующих в районах с холодным климатом.

Известны объекты в северных широтах (метеостанции, научно-исследовательские и геофизические станции, объекты транспортной инфраструктуры, станции связи, вахтовые поселки и др.), состоящие из теплоизолированных модулей, например [1-5]. Недостаток таких модулей - повышенная пожароопасность, вызванная их большой энергонасыщенностью (отношением потребляемой мощности к объему), во много раз большей, чем у помещений аналогичного назначения, находящихся в районах с умеренным и теплым климатом.

Известны устройства с применением газовых установок (патенты RU 2465934, опубликован 10.11.2012 г.; RU 2475285, опубликован 20.02.2013 г.; RU 2465937, опубликован 10.11.2012 г.; RU 2498828, опубликован 20.11.2013 г.) пожаротушения. Их использование ограничивается недостаточной надежностью, высокой стоимостью и небольшим запасом огнетушащих веществ, которые также могут представлять опасность для персонала и оборудования защищаемых помещений (модулей).

Известен способ тушения пожара в замкнутых помещениях и устройство для его осуществления (патент RU 2452540, опубликован 10.06.2012). Способ предусматривает подачу импульсно прерываемой струи воздуха в зону пожара для срыва пламени и удаления продуктов горения. Устройство, реализующее данный способ, содержит средства для подачи скоростных струй воздуха (баллон) в зону пожара. Кроме того, одновременно с выхлопами воздуха осуществляются огнетушащие водно-капельные впрыски, повторно-кратковременные впрыски порошковых облачков или воздушно-механической пены, а при тушении предметов и оборудования, находящегося под напряжением, - повторно-кратковременные впрыски пожаротушащего аэрозоля. К недостаткам такого способа и устройства относится сложность конструкции, наличие баллона со сжатым воздухом, требуются дополнительные органы управления для переключения на впрыск воды, порошка или аэрозоля; порошок может слеживаться, вода может замерзать при отрицательных температурах, что снижает надежность устройства применительно к защите модулей в северных широтах.

Известен способ тушения пожара в помещении в условиях низких температур и устройство для его реализации (патент RU №2714272 С2, опубликован 13.02.2020). Способ предусматривает продувку горящего объема помещения (модуля) наружным низкотемпературным воздухом, что позволяет как понизить среднеобъемную температуру и подавить тем самым пожар, так и удалить наружу дым и токсичные продукты горения. Устройство предполагает наличие в помещении (модуле) нормально закрытых впускного и выпускного люков и установку нагнетающего вентилятора в районе впускного люка. При возникновении пожара люки вскрываются и приводится в действие вентилятор, обеспечивающий продувку объема помещения (модуля) наружным низкотемпературным воздухом. Данное изобретение может быть принято в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются: а) необходимость больших расходов нагнетаемого воздуха (и тем самым наличие мощного вентилятора) для недопущения раздувания пожара, а гарантированного его подавления; б) недостаточная эффективность подавления пожара при положительных температурах наружного воздуха, например, в летний период.

Целью изобретения является повышение эффективности тушения пожара в помещениях (модулях различного функционального назначения, а также в отсеках подвижных объектов) при различных температурах окружающего воздуха.

Для достижения цели изобретения на вход вентилятора, осуществляющего продувку горящего объема помещения (модуля) наружным воздухом, может подаваться либо снег, либо вода (если это позволяет температура), либо и то и другое вместе.

На фиг.1 показан модуль 1 с горящей пожарной нагрузкой 2 при вскрытых впускном 3 и выпускном 4 люках и включенном вентиляторе 5, нагнетающим внутрь модуля 1 наружный низкотемпературный воздух вместе с подаваемым на его вход снегом 6. На фиг.2 показан вариант подачи воды пожарным стволом 7 (обозначения 1-5 те же).

При возгорании пожарной нагрузки (мебель, оборудование, запас продовольствия и др. - класс пожара А или пролив горючей жидкости - класс пожара В) 2 в модуле 1 происходит вскрытие люков 3 и 4 и включение вентилятора 5, как то указано в прототипе (патент RU №2714272 С2). В случае пожара класса Ε осуществляется штатное обесточивание модуля 1. Одновременно на объекте объявляется пожарная тревога, и прибывший к модулю 1 персонал (члены пожарного расчета или специалисты, свободные от несения вахты) с помощью подручных средств - лопат (фиг.1) или снегоуборочных машин (например, снегоуборщик DDE ST6560L с захватом 60×51 см способен подавать струю снега на 11 м) подают снег 6 на вход вентилятора 5. Возможен вариант, когда снег 6 подается лопатами персоналом на захват снегоуборщика, который, в свою очередь, подает снег на вход вентилятора 5. Снег, попадая после вентилятора 5 вместе со струей холодного воздуха внутрь модуля 1, распыляется и нагревается до 0°С, отбирая часть тепла, выделяемого пожарной нагрузкой, на его нагрев, затем тает, также отбирая тепло и превращаясь в распыленную воду. Эта вода нагревается от 0°С до 100°С, снова отбирая тепло, а затем испаряется, отбирая тепло на парообразование. Пар также может нагреваться до температуры более 100°С.

В летний период при отсутствии снега или когда есть возможность подать пожарный ствол 7, на вход вентилятора 5 подается вода. Она в распыленном виде вместе со струей воздуха попадает внутрь модуля 1 и нагревается до 100°С, отбирая тепло у пожарной нагрузки 2. Затем вода испаряется, также отбирая тепло.

Наружный воздух, как и в прототипе, попадая в модуль 1. нагревается и тоже отбирает тепло, выделяемое при горении пожарной нагрузки 2.

Таким образом, достигается резкое снижение среднеобъемной температуры в модуле 1, что, согласно классической диаграмме Н.Н. Семенова [6], приводит к затуханию пожара, а, согласно закону С.Аррениуса [7], - к фактическому прекращению процесса горения.

Заявленный способ, обладая исключительной простотой и эффективностью, позволяет осуществить интенсивный отбор тепла, выделяемого пожарной нагрузкой 2, чем значительно снизить среднеобъемную температуру в модуле 1. Это, во-первых, значительно сократит время термического воздействия на конструкцию модуля 1 и его оборудование. Во-вторых, позволит пожарным безопасно проникнуть внутрь модуля 1 (в нем снизится температура и будут удалены дым и токсичные продукты горения), окончательно потушить пожар и провести необходимые аварийно-спасательные работы в соответствии с требованиями Боевого Устава [8].

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБА

1. Тепловая мощность Р, отбираемая от очага пожара при подаче к нему холодного воздуха и снега с массовыми расходами соответственно G_возд и G_сн при условии испарения образующийся из снега воды:

где С_возд, С_сн, С_вод - теплоемкости воздуха, снега и воды соответственно; r_т, r_и - теплоты таяния снега и парообразования воды соответственно; Т₀ - начальная температура воздуха и снега; Т_т, Т_кип - температуры таяния снега и кипения воды; Τ - среднеобъемная температура в модуле.

Полагая, что G_возд=2 кг/с, G_сн=0,5 кг/с, С_возд≈С_сн≈1 кДж/кг/К; С_вод=4,2 кДж/кг/К; r_т=330 кДж/кг, r_и=2260 кДж/кг; T_т=273 К; T_кип=373 К; T₀=233 К=-40°С и T≈373 К, из (1) получим:

Ρ≈2×1×(373-233)+0,5×[1×(273-233)+330+4,2×(373-273)+2260]=280+1525=1805 кВт.

Учитывая, что, удельная мощность очага пожара в административном помещении (модуле) ≈300 кВт/м², может быть подавлен пожар на площади 1805/300≈6 м². А если в энергомодуле горит трансформаторное масло с удельной мощностью очага пожара 1810 кВт/м², то пожар может быть подавлен на площади пролива почти 1 м². Больший расход подаваемого снега даст еще лучший эффект.

2. Тепловая мощность Р, отбираемая от очага пожара при подаче к нему наружного воздуха и воды с массовыми расходами соответственно G_возд и С_вод при условии ее испарения:

Полагая, как и ранее: G_возд=2 кг/с, G_вод=0,5 кг/с, С_возд≈1 кДж/кг/К; С_вод=4,2 кДж/кг/К; r_и=2260 кДж/кг; T_кип=373 К; T≈373 К, а также T₀=273 К=0°С и из (2) получим:

P≈2×1×(373-273)+0,5×[4,2×(373-273)+2260]=200+1340=1540 кВт.

Это несколько меньше, чем в случае подачи снега при -40°C, но также позволит подавить пожар в административном помещении на площади 6 м² или горение трансформаторного масла на площади 0,85 м². Если же воду подавать пожарным стволом Б с расходом 3,7 л/с, то эффект будет намного большим.

3. На основании закона С. Аррениуса [7] можно оценить, насколько снизится скорость реакции горения W в модуле после продувке его объема воздухом совместно со снегом/водой, когда будет достигнута среднеобъемная температура Т, по сравнению со скоростью реакции W_пож при температуре пожара Т_пож:

где θ - энергия активации Ε_A, отнесенная к универсальной газовой постоянной R=8,314 Дж/моль/К.

Поскольку значения энергии активации Ε_а, как следует из справочной литературы, находятся в широком диапазоне - от 30 до 200 кДж/моль и более, то параметр θ также может иметь разброс от 3600 до 24000 К. Полагая T=373 К и T_пож=1000 К, из (3) оценим пределы снижения скорости реакции горения при применении заявленного способа:

Таким образом, скорость реакции горения может снизиться более, чем в 420 раз, а то и практически до нуля, что свидетельствует об эффективности продува горящего объема помещения (модуля) наружным воздухом совместно со снегом или водой.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. https://cstor.nn2.ru/forum/data/forum/images/2015-12/135358960-760×488×20141215-8.jpg.pagespeed.ic.jp666qdpww.jpg

2. http://dwgformat.ru/wp-content/uploads/2020/02/CUB-mobilnoe-zhile-v-SSSR.jpg

3. https://pinsector.ru/wp-content/uploads/polar-camo-hirez-1.jpg

4. http://www.nlkd.ru/data/articles/20150129/06.jpg

5. https://i2.tabor.ru/feed/2016-06-30/14340639/89236_760×500.jpg

6. С.А. Бобков, А.В. Бабурин, П.В. Комраков. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Учебное пособие. М: Академия ГПС МЧС России, 2014. - 210 с. (раздел 6.2, с. 89-92).

7. В. Штиллер. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика. М.: Мир, 2000. - 176 с.

8. Боевой устав подразделений пожарной охраны, определяющий порядок организации тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ. Приказ МЧС России от 16.10.2017 №444 (ред. от 28.02.2020). Зарегистрирован в Минюсте России 20.02.2018 №50100.