Результат интеллектуальной деятельности: Устройство предотвращения пожаров, а также самотушения горючих жидкостей в стационарном емкостном оборудовании с нестабильными уровнями жидкости

Изобретение относится к пожарной технике и может быть использовано для предотвращения пожаров и самотушения горючих жидкостей в аварийных ситуациях в различном емкостном оборудовании - вертикальных стальных баках, резервуарах, реакторах и т.д., в которых обращаются горючие и легковоспламеняющиеся жидкости.

При характеристике разработанного технического решения в дальнейшем будет использован термин «самотушение». В рамках настоящей заявки указанный термин означает прекращение устойчивого режима горения за счет удаления пламени от поверхности жидкости посредством конструктивных приемов без применения средств пожаротушения.

При характеристике разработанного технического решения в дальнейшем будет использован термин «полуканалы». В рамках настоящей заявки указанный термин означает элементы из конструкционного профиля, представляющие собой каналы, имеющие вертикальный разрыв по всей длине.

Также при характеристике разработанного технического решения в дальнейшем будет использован термин «периметральные каналы». В рамках настоящей заявки указанный термин означает каналы, образованные прилеганием полуканалов к внутренней стенке емкости.

Основой всех разработанных, до настоящего времени, устройств для предотвращения пожаров и самотушения горючих жидкостей являются результаты экспериментальных и теоретических исследований, например [1,2,3], в которых были найдены соотношения диаметров и длин вертикальных каналов (цилиндрических горелок), обеспечивающих предотвращение загораний и самотушение горючих жидкостей.

Известно (SU, авторское свидетельство 1463317, опубл. 07.03.1989) устройство для самотушения и предотвращения загораний горючих жидкостей. Устройство содержит емкость, в которой для повышения эффективности тушения по всему ее поперечному сечению расположены трубы квадратного сечения, стенки которых параллельны стенкам емкости. При этом, по периметру верхнего среза каждой трубы установлены отражатели, угол отклонения которых от вертикальных стенок трубы определяется из отношения: d_ЭКВ/Н,

где d_ЭКВ - эквивалентный диаметр труб; Н - высота труб, не заполняемая жидкостью.

Длина поверхности отражателей l=0,06Н, а нижний срез труб расположен на расстоянии h≤0,25d_экв от днища емкости.

Недостатками этого устройства является сложность изготовления и сборки всей конструкции устройства с применением отражателей, устанавливаемых в каждой вертикальной трубе. Устанавливать подобные отражатели, по-видимому, возможно только в вертикальных трубах достаточно большого диаметра. Существенным недостатком в конструкции данного устройства является также его высокая металлоемкость, поскольку трубы практически полностью заполняют всю емкость. Наиболее сильно этот недостаток проявляется при больших объемах жидкости, поскольку нижний срез труб должен располагаться на расстоянии h≤0,25d_ЭКВ от днища емкости.

Известны устройства для тушения горящих жидкостей (SU, авторское свидетельство 1755814, опубл. 23.08.1992) для обеспечения пожарной безопасности технологического оборудования. Первое устройство состоит из металлической емкости с размещенным в ней приемным элементом, имеющим форму воронки с пакетом труб в нижней части и блоком сетчатых пластин в верхней части, плоскости которых перпендикулярны осям труб, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности тушения, в верхней части приемного элемента размещены два слоя сеток, расстояние между которыми не более 10 мм, а каждый слой имеет по крайней мере две, уложенных одна на другую, сеток. Второе устройство отличается тем, что с целью повышения эффективности за счет уменьшения разбрызгивания после протекания горящей жидкости, расстояние от нижней кромки зафиксированного слоя сеток до начала наклонной поверхности приемного элемента должно быть не менее 100 мм.

Недостатками в конструкции данного устройства является его большая металлоемкость и наличием сеточных элементов, в которых металлические сетки должны находиться в натянутом состоянии. Только в этом случае можно выдержать высоту воздушной прослойки между сетками, равную 10 мм и фиксацию слоя сеток до начала наклонной поверхности приемного элемента на расстоянии не менее 100 мм.

Известна конструкция устройства для самотушения и предотвращения загораний горючих жидкостей (RU, патент №2252804, опубл. 27.05.2005 г.). Устройство содержит металлическую емкость, в которой для повышения эффективности тушения и улучшения эксплуатационных характеристик установлены два основных элемента. Это горизонтальный слой осесимметричных в поперечном сечении, вертикально расположенных каналов (труб), образующих ячеистую структуру, и пламегасящий слой, образованный двумя слоями металлических сеток, плотно прилегающих к нижней части ячеистой структуры. Расстояние между сетками не превышает 10 мм. При этом вся пламегасящая система устанавливается в емкостях различных размеров по высоте и площади поперечного сечения.

Недостатком этой конструкции является сложность изготовления и стыковки ее элементов, обусловленная наличием сеточных элементов, в которых металлические сетки должны находиться в натянутом состоянии. Только в этом случае можно выдержать высоту воздушной прослойки между сетками, равную 10 мм. Одновременно верхний слой сеток должен плотно прилегать к нижнему срезу вертикальных каналов. При нарушении этих требований снижается эффективность и надежность тушения данным устройством.

Известно устройство пожаротушения подавлением конвекции для горящих жидкостей (RU, патент 2442625, опубл. 20.02.2012). Устройство собирается из двух или более слоев вертикальных осесимметричных труб одинакового размера в сечении, расположенных так, что стенки труб верхнего слоя строго совмещаются со стенками вертикальных труб нижних слоев. Между слоями образованных вертикальных каналов установливаются металлические сетки. Полученные в результате сборки элементы плотно стягиваются с образованием пакета, состоящего из слоев осесимметричных вертикальных труб, разделенных слоями металлических сеток. Изобретение позволяет повысить эффективность пожаротушения, исключить потребность в применении обычных средств и способов тушения пожаров горящих жидкостей, а также позволяет упростить сборку и обеспечить минимальную высоту устройства.

Существенным недостатком всех устройств с сеточными элементами является оседание пыли и аэрозольных продуктов горения (сажи) на сетках и необходимость их периодической очистки, для проведения которой требуется демонтаж устройств, их разборка и повторный монтаж.

Известен также (RU, патент 2419472, опубл. 27.05. 2011), в котором для устранения недостатков описанного выше устройства самотушения, из его конструкции были исключены слои сеточных элементов, вместо которых под нижним горизонтальным срезом вертикальных каналов на расстоянии, не превышающем 15 мм, установлена плоская металлическая емкость (поддон), вертикальные стенки которой имеют вполне определенную высоту. При попадании горящей жидкости в устройство самотушения с помощью этих стенок в структуре вертикальных каналов после окончания пролива устанавливается уровень жидкости, при котором обеспечивается эффективное тушение пламени, т.к. процесс ее горения становится невозможен. На периферии по всему периметру ячеистой структуры, между нижним ее срезом и плоской емкостью установлен пластинчатый пламегасящий элемент, обеспечивающий тушение текущей жидкости в условиях малых расходов аварийного пролива до момента, когда уровень еще не достиг нижнего среза вертикальных каналов. Оптимальное расстояние между вертикальными стенками плоской емкости и обечайкой, в которую заключена сборка вертикальных каналов, составляет 10 мм.

Из приведенных описаний устройств следует, что механизм самотушения реализуется при подавлении естественной конвекции и нарушении взаимосвязи пламени и паров горящей жидкости в сборке вертикальных каналов определенной высоты и диаметра с вертикальными боковыми стенками. Для сборки вертикальных каналов существует вполне определенная критическая для процесса горения высота, не заполняемая жидкостью, и если ее уровень будет расположен ниже указанной высоты, то будет полностью исключена возможность горения жидкости во всех вертикальных каналах. При этом критическая высота не заполняемой части каналов функционально связана с диаметром каналов:

где:

H_кp - высота не заполняемой части вертикальных каналов,

d_эк - эквивалентный диаметр одного канала,

d_эк=

где:

S - площадь поперечного сечения одного канала,

Р - периметр сечения канала.

Во всех рассмотренных охранных документах требуемая высота не заполняемой части каналов обеспечивается или поддержанием и постоянным контролем уровня жидкости или ее сливом.

Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в расширении области применения устройств для предотвращения пожаров и самотушения горючих жидкостей в емкостном оборудовании.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении эффективности предотвращения пожаров и самотушения горючих жидкостей в емкостном оборудовании с нестабильными уровнями жидкости, оптимизации металлоемкости и улучшении эксплуатационных характеристик устройств.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство предотвращения пожаров и самотушения горючих жидкостей в емкостном оборудовании с нестабильными уровнями жидкости разработанной конструкции. Оно содержит, по меньшей мере, средство, содержащее модульную сборку вертикальных каналов с заданным отношением высоты вертикального канала H, не заполняемой жидкостью, к его эквивалентному диаметру d_экв причем сборка вертикальных каналов размещена внутри обечайки, к внешнему периметру которой с шагом не более d_экв прикреплены вертикальные полуканалы, способные образовывать в случае установки обечайки с модульной сборкой в емкости с прилеганием полуканалов к внутренней стенке емкости замкнутую последовательность периметральных каналов, причем полуканалы обеспечивают за счет собственной упругости или с использованием пружин равномерное прижатие всех периметральных каналов средства к стенкам резервуара и выполнение требуемого отношения Н к d_экв, при этом указанное средство выполнено с возможностью покрытия всей поверхности жидкости, центрирования сборки в обечайке, возможностью свободного перемещения внутри емкости, причем эквивалентный диаметр вертикального канала задан плотностью и поверхностным натяжением жидкости по зависимостям:

d_экв ≥ 6,5 (δ/gρ)^0,5;

d_экв=4F/P,

где δ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; g - ускорение силы тяжести; ρ - плотность жидкости; F - площадь поперечного сечения канала произвольной формы; Р - периметр поперечного сечения канала произвольной формы, а отношение высоты вертикального канала H, не заполняемой жидкостью, к его эквивалентному диаметру должно удовлетворять соотношению Н/d_экв ≥ 3.

Предотвращение пожара происходит за счет развитой поверхности трения и снижения скорости воздушных потоков в каналах, поставляющих кислород к поверхности жидкости, снижения температуры пара жидкости за счет развитой поверхности теплообмена, что приводит к нарушению синергии факторов горения [1, 2], и, при возникновении вспышки внутри вертикального канала, обеспечивает невозможность перехода в режим устойчивого горения;

Самотушение происходит за счет снижения концентрации кислорода путем подавления продуктами горения естественно-конвективных потоков воздушной среды, поставляющих кислород в зону горения.

В некоторых вариантах реализации разработанного способа, для дополнительного подавления конвенции кислорода и интенсивности испарения горючих жидкостей, а также снижения температуры паров, устройство дополнительно содержит сетку (далее 3D-сетка), накрывающую его по всей площади, представляющую собой мат толщиной h>H/16, изготавливаемый из переплетенных в объеме нержавеющих стальных нитей проволоки диаметром D<0,5 мм или тонких лент такой же площади сечения, причем плотность плетения обеспечивает выполнение соотношения 0<s_пр/s ≤ 0,5, где s_пр - суммарная площадь просветов сетки, а s - площадь мата. 3D-сетка может быть частично или полностью утоплена внутрь вертикальных каналов и полуканалов устройства.

В одном из вариантов реализации устройства, 3D-сетка может находиться внутри стальной конструкции, размещаемой на поверхности средства состоящей из обечайки такой же формы как обечайка средства высотой равной толщине 3D-сетки, нижней и верхней плоских сеток с ячейками размерами не более 1,5 мм.

Наличие сеточных элементов описанных конструкции за счет уменьшения площади открытой поверхности и трения снижает скорость конвективных потоков поступления кислорода и интенсивность испарения нагретой жидкости, а развитая поверхность теплообмена обеспечивает снижение температуры пара жидкости.

В некоторых вариантах реализации разработанного способа устройство дополнительно содержит понтоны с заданными параметрами плавучести, на которых размещено средство, при этом возможно, что плавучесть средства обеспечена подбором материалов, из которых выполнено средство.

В рамках настоящего технического решения понтоны используются для обеспечения плавучести средства, необходимой для соблюдения соотношения Н/d_экв ≥ 3, например, когда средство изготовлено из материала, имеющего отрицательную плавучесть в данном типе жидкости.

Также устройство, во избежание перекосов и заклинивания средства, может дополнительно содержать приспособление принудительного подъема/опускания при возникновении пожара на поверхность горящей жидкости до уровня, при котором в вертикальных каналах обеспечивается заданное соотношение Н к d_экв., представляющее собой, по меньшей мере, три лебедки, обеспечивающие синхронность подъема/опускания всего средства, установленные по периметру емкости равноудалено и на одном уровне. Приспособление принудительного подъема/опускания используют если есть вероятность появления дефектов на внутренней стенке емкости, например возникновения большого объема отложений, которые смогут препятствовать свободному перемещению устройства за счет гравитационной и Архимедовой сил.

В резервуарах, имеющих аварийный слив в резервную емкость, средство может быть размещено в нижней части резервуара выше приемных труб системы аварийного слива, а тушение горящей поверхности жидкости происходит при достижении ей уровня, при котором в вертикальных каналах средства обеспечивается заданное соотношение Н к d_экв. Данный вариант реализации устройства используют в случаях, когда нет возможности его размещения на поверхности жидкости. Например, в резервуарах, оснащенных понтонами или плавающими крышами. Отношение высоты вертикального канала H, не заполняемой жидкостью, к его эквивалентному диаметру должно удовлетворять соотношению Н/d_эк ≥ 3.

Одним из преимуществ описанного устройства является отсутствие его жесткого закрепления внутри резервуара, обеспечивающее возможность его перемещения, что является важным для организации обслуживания резервуаров.

Устройство в различных вариантах реализации может быть рекомендовано к применению на предприятиях нефтедобывающей и нефтехимической промышленности, на морском, речном, железнодорожном и авиационном транспорте, на складах горюче-смазочных материалов, хранилищах жидких топлив и на прочих объектах хранения и переработки нефтепродуктов.

В дальнейшем сущность разработанного технического решения будет раскрыта с использованием примеров его реализации.

Например, для предотвращения пожара вертикального стального резервуара со стационарной крышей, предназначенного для хранения сырой нефти объемом 100 м³ можно применить устройство модульная сборка и обечайка которого изготовлены из композитного стеклопластикового материала с температурой эксплуатации до 300°С, обеспечивающего заданную плавучесть в сырой нефти. Вертикальные каналы модульной сборки в поперечном сечении имеют форму равностороннего шестигранника (как вариант - могут быть изготовлены из стеклосотопласта), а полуканалы изготовлены из бронзовых трапециевидных профилей, образующих в сечении половину равностороннего шестигранника.

Для самотушения вертикального стального резервуара со стационарной крышей и имеющего понтон, предназначенного для хранения дизельного топлива объемом 75 м³, может быть применено устройство модульная сборка и обечайка которого изготовлены из оцинкованной стали. Вертикальные каналы модульной сборки в поперечном сечении имеют форму равностороннего шестигранника, а полуканалы изготовлены из бронзовых трапециевидных профилей, образующих в сечении половину равностороннего шестигранника. Устройство размещается на прикрепленных с обечайке стальных опорах таким образом, чтобы обеспечить положение его нижнего среза выше труб аварийного слива.

Список литературы

1. В.И. Горшков, Н.Н. Гурьянова, Б.Г. Попов. Моделирование процесса свободного горения топлив в цилиндрических горелках // Пожарная профилактика: сб. тр. М.; ВНИИПО, 1984, с. 81-86.

2. В.И. Горшков, Н.Н. Гурьянова, Б.Г. Попов, А.П. Федотов. Критериальные уравнения для расчета скорости выгорания жидкостей // Пожарная профилактика: сб. тр. М.; ВНИИПО, 1984, с. 86-94.

3. Потякин В.И., Еремин В.И., Гребенек И.М. Устройства для самотушения горящих при проливе жидкостей // Пожарная техника. Расчеты и проектирование: сб. тр. М.; ВНИИПО, 1989, с. 100-107.