RU2645207C1

RU2645207C1 - Способ комбинированного пожаротушения, устройство для его реализации

Info

Publication number: RU2645207C1
Application number: RU2017101058A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Забегаев
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-02-16

Abstract

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники, а именно к способу комбинированного пожаротушения с использованием нанопорошка, одновременно подаваемого с газообразным аэрозолем. Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе комбинированного пожаротушения, включающем подачу ингибирующего аэрозоля и огнетушащего порошка одновременно из устройства пожаротушения в виде потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, причем скорость названного потока ограничивают до значений, при которой его высокодисперсная система остается седиментационно-устойчивой, на выходе из устройства пожаротушения этот поток дополнительно перемешивают в лопаточном аппарате, а в качестве огнетушащего порошка используют нанопорошок. Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве пожаротушения, содержащем корпус с зарядом из аэрозолеобразующего состава и узлом воспламенения, теплопоглощающее устройство, заполненное материалом для охлаждения аэрозоля, и полимерную оболочку с огнетушащим порошком, смонтированную за теплопоглощающим устройством, средство для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка, в котором диафрагма выполнена в виде сетки и в его выходном отверстии установлен лопаточный аппарат для дополнительного перемешивания потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, а огнетушащий порошок выполнен в виде нанопорошка. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники, а именно к способу комбинированного пожаротушения с использованием нанопорошка, одновременно подаваемого с газообразным аэрозолем.

Установлено (А.Н. Баратов. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004, с. 334), что наиболее перспективным путем повышения эффективности средств пожаротушения является разработка комбинированных огнетушащих составов, то есть таких веществ, которые соединяли бы в себе свойства различных классов огнетушащих средств. При их использовании огнетушащая способность одного компонента состава дополняется огнетушащей способностью другого, кроме того, улучшаются условия доставки огнетушащего вещества на место пожара.

Известно (Ульянов Николай Иванович. Введение диссертации (часть автореферата). Обоснование параметров струеобразующих устройств для подачи огнетушащих порошковых составов: 05.26.03; [Место защиты: Москва]. - Москва, 2000. - 206 с., Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com), что в установках порошкового тушения расходная концентрация порошка в порошково-воздушной смеси составляет 40.400 кг-кг''1, а давление перед насадком должно обеспечивать получение струи с большой дальностью. Поэтому для эффективного использования передвижных установок порошкового тушения становится важной задача создания таких струеобразуюших устройств, которые при заданных параметрах перед ними и известной огнетушащей способностью порошкового состава позволили сформировать струи с наибольшей огнетушащей дальностью.

Для расчета основных параметров таких устройств, а также параметров порошковой аэросмеси на их выходе необходимо знать закономерности течения порошковой смеси с высокой концентрацией частиц в насадках. Однако имеющиеся в литературе сведения по истечению двухфазных сред типа водовоздушных и паровоздушных смесей из насадков не могут быть использованы для расчета истечения порошковых составов, так как последние содержат твердую фазу.

Известно устройство для тушения локальных пожаров (Авторское свидетельство SU №677754, МПК A62C 37/28, опубл. 20.02.2016).

Устройство содержит корпус с огнетушащим порошком, распылительный насадок и расположенные в верхней части корпуса инициирующий патрон, дефлектор и газогенерирующий заряд, расположенную над дефлектором разрядную головку, причем дефлектор выполнен в виде полого корпуса, суммарная площадь отверстий которого меньше площади выходного отверстия разрядной головки.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении пожарной опасности на контролируемом объекте сигнал от управляющего блока подается на клеммные выводы газогенерирующего заряда, в результате чего происходит его сгорание с выделением инертных газов и быстрым нарастанием давления в инициирующем патроне. По достижении критического давления в инициирующем патроне срезной диск разрушается и газы истекают в промежуточную камеру.

Под давлением инертных газов, поступающих из промежуточной камеры в корпус, предохранительная диафрагма разрушается, и огнетушащий порошок через распылительный насадок выбрасывается в защищаемую зону.

Однако вопрос охлаждения огнетушащего порошка в движущемся струйном потоке аэрозоля в этом изобретении не рассматривался.

Известно устройство для тушения локальных пожаров (Патент RU №2050874, кл. МПК A62C 35/00, опубл. 27.12.1995). Устройство имеет разрядную головку, выполненную в виде двух независимых равных по объему камер, одна из которых обеспечивает выход газов в область конусообразного корпуса с огнетушащим порошком, непосредственно прилегающую к разрядной головке, а другая в дефлектор, подающий газы внутрь огнетушащего порошка.

В результате одновременного действия двух потоков газа по всей глубине массы огнетушащего порошка достигается перемешивание огнетушащего порошка в движущемся струйном потоке аэрозоля. Это достигается за счет дефлектора, выполненного в виде стакана, имеющего тангенциальные отверстия на боковой поверхности.

Вследствие одновременного действия двух потоков газа практически по всей глубине массы огнетушащего порошка достигается мгновенный (за время не более 0,5 с) режим начальной стадии движения порошка со скоростью не менее 20 м с^-1.

Однако при таком режиме движения порошка его скорость может достигнуть критических значений (Аэрозоли и порошки_Реферат_Химия.html). Поэтому применение этого способа для перемешивания огнетушащего порошка в движущемся струйном потоке аэрозоля может привести в заявляемом техническом решении к тому, что из комбинированного состава будет выдуваться более мелкая фракция, выполненная в виде нанопорошка.

Известен способ объемного тушения пожаров и устройство для его осуществления (Патент RU, №2090227, A62C 2/00), опубл. 20.09.1997). Сущность изобретения заключается в образовании аэрозольной смеси при сжигании твердотопливного состава и подаче ее к очагу горения с одновременным охлаждением путем пропускания через слой жидкостного или порошкообразного охладителя. В качестве порошкообразного охладителя используют огнетушащий порошок, а в качестве жидкостного - многослойную жидкость, содержащую воду или водный раствор минеральной соли и органическую жидкость, а смесь пропускают сначала через воду или водный раствор минеральной соли, а затем - через органическую жидкость. Устройство для объемного тушения пожаров содержит резервуар с жидкостным или порошкообразным охладителем и камеру в виде перевернутого стакана с зарядами твердотопливного состава. Стакан погружен в охладитель, слой которого, охлаждая смесь, образует гидрозатвор, обеспечивающий сбрасывание давления в камере при сжигании зарядов.

Недостатком сухих огнетушащих материалов является их низкая охлаждающая способность. Поэтому при порошковом тушении возможны повторные вспышки от раскаленных в огне предметов. Эти явления были отмечены в работе (Авакимов С.С. и др. Технические средства и способы тушения пожаров. - М.: "Энергоиздат", 1981, с. 13). Как следствие, реальный охлаждающий эффект порошкового облака составляет не более 10…20% тепла очага (Пожаровзрывобезопасность, 2007, Том N 16, N 6 // Агаларова С.М., Сабинин О.Ю. Огнетушащие порошки. Проблемы. Состояние вопроса).

Следует помнить, что ни один из огнетушащих порошков не обладает охлаждающим эффектом (http://www.studfiles.ru/preview/5154578/page:5/Раздел: огнетушащие порошковые составы). Однако некоторое охлаждение порошки все же обеспечивают, потому что имеют более низкую температуру, чем горящий материал, и теплота передается от более горячего вещества к более холодному порошку.

Очевидно, что использование в качестве порошкообразного охладителя огнетушащего порошка малоэффективно, а вопрос совместной подачи в очаг пожара аэрозольной смеси и огнетушащего нанопорошка в данном техническом решении не рассматривался.

Известен подвешиваемый к потолку помещения огнетушащий модуль стационарной системы пожаротушения (ЕР, 0483901, МПК A62C 35/08, опубл. 06.05.92), содержащий выполненный из огнестойкого пластика корпус, внутри герметичной полости которого размещен огнетушащий состав, инициирующее устройство в виде взрывного заряда, подключенное к системе тепловых датчиков для инициирования срабатывания взрывного заряда, и фитиль, изолированный в центре емкости, при этом огнетушащий состав занимает практически полный объем герметичной полости корпуса.

Запуск устройства осуществляется по сигналу тепловых датчиков, срабатывающих от пламени с внешней стороны емкости.

Данное устройство обеспечивает только локальное, строго направленное тушение, сопровождающееся пониженной скоростью доставки огнетушащего состава и низкими расходами за счет узкого горла для выхода порошка.

Однако в качестве инициирующего устройства использован взрывной заряд, содержащий взрывчатое вещество, срабатывающее от подожженного пламенем фитиля (для этого фитиль намотан с внешней стороны корпуса и концом введен во взрывной заряд).

Такое техническое решение небезопасно с точки зрения использования взрывчатого вещества и требует постоянного контроля за фитилем, поэтому не может быть использовано в автоматических установках аэрозольного пожаротушения.

В работе (Аэрозольное пожаротушение_ОРБИТА-СОЮЗ.html) было отмечено, что большинство современных модификаций газоаэрозольной смеси (ГОА) обладает зажигающей способностью по отношению к ряду горючих веществ, имеет невзрывозащищенное конструктивное исполнение, и их применение во взрывоопасных помещениях не предусмотрено.

Известен способ пожаротушения и устройство для его реализации (Патент RU, №2095099, A62C 13/22, опубл. 10.11.1997).

Сущность этого способа пожаротушения заключается в подаче в очаг пожара потока аэрозоля, образующегося при горении канального цилиндрического аэрозольгенерирующего заряда, воспламеняющегося от специального зажигательного устройства, отличающийся тем, что поток аэрозоля формируют равномерно с обеих торцевых сторон заряда и подают его в очаг пожара со сверхзвуковой скоростью истечения при числе Re>2×10⁶, при этом дополнительно подают в очаг пожара охлаждающий пожаротушащий агент, например воду, пену, порошок с помощью инжектора, действующего от основного потока аэрозоля.

Сущность устройства для пожаротушения, содержащего канальный цилиндрический аэрозольгенерирующий заряд с корпусом и коническим соплом с одной торцевой стороны заряда и воспламенитель, заключается в том, что с противоположной стороны заряд имеет дополнительное сопло, аналогичное первому и обеспечивающее равнодействующую силу тяги, близкую к нулю, причем конические сопла образованы материалом заряда, имеют угол раствора 25-35° и критический диаметр, равный диаметру канала, при этом устройство дополнительно снабжено инжектором, размещенным на торцах заряда и состоящим из коаксиальных цилиндров, соединенных с корпусом заряда посредством диафрагм с заборниками.

Недостатками этого технического решения является следующее.

Во-первых, в описании изобретения в примере 2 реализации изобретения отмечено, что на очаг пожара дополнительно подают охлаждающий агент, например воду, при тушении твердых горючих веществ (древесины) с помощью инжектора, действующего от основного потока аэрозоля. При этом утверждается, что при использовании дополнительной подачи пожаротушащих веществ достигается более быстрое тушение пожара за счет комбинированного воздействия различных типов ингибирующих средств на процессы горения.

Ранее было установлено следующее:

- огнетушащая способность воды обуславливается охлаждающим действием и разбавлением горючей среды, образующимися при испарении пламени (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 64);

- огнетушащая способность пены обусловлена изолирующим и охлаждающим действием на очаг горения (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 72-73).

Поэтому, опираясь на полученные ранее научно обоснованные данные, к ингибирующим средствам на процессы горения можно отнести только огнетушащие порошки.

В работе (А.Н. Баратов. Горение-пожар-Взрыв-Безопасность. М., ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003, с. 305) указано, что в отличие от других средств, используемых для тушения по площади (например, пена или вода) и оказывающих изолирующее или охлаждающее действие на горящую поверхность, порошки оказывают ингибирующее воздействие на пламя.

Следует отметить, что при тушении порошками наблюдаются следующие явления (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 113): разбавление горючей среды газообразными продуктами разложения порошка или порошковым облаком, охлаждение зоны горения, возникновением эффекта огнепреграждения, обусловленным прохождением пламени через узкие каналы между частицами порошка, а также ингибирование химических реакций в пламени. Последнее может осуществляться как в газовой фазе, так и на поверхности частиц.

В зависимости от выбранного способа тушения, огнетушащего состава и так далее, при тушении порошками доминирует один из указанных выше процессов.

Однако, как было отмечено в работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 114), применяемые на практике порошки (дисперсностью 20 мкм и выше) не успевают сколько-нибудь нагреться, и поэтому не может идти речи об ингибировании в газовой среде.

Из этого по мнению автора изобретения следует, что дальнейшее повышение эффективности современных огнетушащих порошков лежит в применении нанопорошков, обладающих значительным ингибирующим воздействием на пламя.

Во-вторых, ранее было установлено (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004, с. 311, 314), что образуемый в процессе сгорания твердотопливной композиции аэрозоль имеет температуру от 1500 до 2200 К. Отсюда возникает проблема с охлаждением названного аэрозоля до безопасных значений температуры.

Однако при подаче потока аэрозоля со сверхзвуковой скоростью, образующегося при сгорании топливного заряда, его охлаждение до безопасных значений за короткий промежуток времени при доставке к очагу горения практически невозможно.

Известен способ пожаротушения и система для его реализации (Патент RU, №2244579, A62C 3/00, A62C 35/00, опубл. 20.01.2005).

Для этого в способе пожаротушения и системе для его реализации по команде системы управления отдельно подают охлажденный газообразный аэрозоль с переменной постоянно нарастающей температурой в верхний объем защищаемого помещения, а смесь огнегасящего порошка и продуктов сгорания твердого топлива, получаемую в порошковом огнетушителе с вытеснительным твердотопливным газогенератором, подают струями с максимальной скоростью либо по всему объему защищаемого помещения, либо локально в нижний объем помещения.

Количество подаваемого газообразного аэрозоля, а также начало, направление и необходимость подачи огнегасящего порошка определяют скоростью и характером распространения пожара в помещении, при этом система управления подачей огнетушащего состава в защищаемое помещение работает по следующей программе: при ложном срабатывании системы управления или незначительном возгорании подается команда на подачу газообразного аэрозоля, при пожаре во всем объеме помещения подается команда на подачу газообразного аэрозоля и при необходимости, если пожар не потушен, через 5-10 мин подается команда на дополнительную подачу огнегасящего порошка, при пожаре со взрывом и последующей разгерметизацией помещения подается команда на одновременную подачу газообразного аэрозоля и огнегасящего порошка.

В качестве газообразного аэрозоля применяют охлажденный состав на основе продуктов сгорания твердого топлива, содержащих инертные газы СО₂, Н₂, Н₂О, СН₄ и мелкодисперсную конденсированную твердую фракцию солей щелочных металлов, преимущественно с размерами меньше 2 мкм.

Из описания изобретения следует, что газообразный аэрозоль в начале работы аэрозольного газогенератора имеет температуру на его выходе, равную температуре окружающей среды, а в конце работы аэрозольного газогенератора - не более 550К, при этом смесь аэрозоля и воздуха в защищаемом помещении по окончании работы аэрозольного газогенератора имеет температуру не более 320К.

Причем смесь огнегасящего порошка и продуктов сгорания твердого топлива из порошкового огнетушителя подают в объем защищаемого помещения под углом 10-80° к горизонту с максимальной скоростью, при этом струи смеси огнегасящего порошка и продуктов сгорания твердого топлива направляют навстречу друг другу.

Однако это техническое решение имеет следующие недостатки.

1. Подача струи смеси огнегасящего порошка и продуктов сгорания твердого топлива навстречу друг другу в заявленном способе пожаротушения не позволяет добиться равномерного перемешивания комбинированного огнетушащего вещества в помещениях, имеющих значительный объем.

2. Данное техническое решение не предусматривает использование в качестве огнетушащего порошкового вещества нанопорошка, который позволяет существенно повысить эффективность объемного пожаротушения за счет того, что огнетушащий нанопорошок самым активным образом влияет на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения.

Это подтверждается научно обоснованными данными, приведенными в работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 117), в которой отмечено, что наиболее эффективные соли способны в газообразном состоянии ингибировать пламя. Чем меньше частицы, тем больше возможность их испарения и тем в большей степени проявляется гомогенное ингибирование.

Известен способ пожаротушения (его вариант), устройство для его осуществления (его варианты) и система пожаротушения (Патент RU, №2118551, A62C 2/00, A62C 2/00, A62C 35/00, опубл. 10.09.1998), принятые за прототип заявляемого технического решения.

Сущность изобретения заключается в комплексном воздействии на очаг горения ингибирующего аэрозоля и огнетушащего вещества, которые подаются одновременно из единого устройства в виде потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего вещества. Разработан вариант способа, заключающийся в одновременной или последовательной подаче на очаг горения по меньшей мере из двух разных устройств охлажденного ингибирующего аэрозоля и распыленного в охлажденном аэрозоле огнетушащего порошка и/или огнетушащей жидкости, распыленной аэрозолем. Пожаротушение производят в автоматическом режиме или вручную. Для осуществления предлагаемых вариантов способа пожаротушения разработаны варианты устройств, представляющие собой конструкции, включающие аэрозольный генератор и емкости с огнетушащими порошком или жидкостью, соединенные между собой.

Однако смешение огнетушащего вещества, выполненного в виде обычного порошка, в режиме псевдоожижения с образующимися при сгорании аэрозольного заряда газами и коксующимися веществами и последующая подача этого потока в виде струйного потока на выходе из заявленного устройства не позволяет добиться равномерного перемешивания комбинированного огнетушащего вещества.

Кроме этого в данном способе не предусмотрено применение современных огнетушащих нанопорошков, обладающих значительным ингибирующим воздействием на пламя.

Задачей изобретения является повышение эффективности пожаротушения за счет ускорения процесса ингибирования пожароопасной среды при одновременной подаче в очаг горения газообразного аэрозоля и огнегасящего порошка, выполненного в виде нанопорошка.

Дополнительной задачей является создание нового способа комбинированного пожаротушения, в котором на выходе из устройства пожаротушения дополнительно перемешивают в лопаточном аппарате поток распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего нанопорошка, причем скорость названного потока ограничивают до значений, при которой его высокодисперсная система остается седиментационно-устойчивой.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе комбинированного пожаротушения, включающем подачу ингибирующего аэрозоля и огнетушащего порошка одновременно из устройства пожаротушения в виде потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, скорость названного потока ограничивают до значений, при которой его высокодисперсная система остается седиментационно-устойчивой, на выходе из устройства пожаротушения этот поток дополнительно перемешивают в лопаточном аппарате, а в качестве огнетушащего порошка используют нанопорошок.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве пожаротушения, содержащем корпус с зарядом из аэрозолеобразующего состава и узлом воспламенения, теплопоглощающее устройство, заполненное материалом для охлаждения аэрозоля и полимерную оболочку с огнетушащим порошком, смонтированную за теплопоглощающим устройством, средство для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка, в названном средстве диафрагма выполнена в виде сетки и в его выходном отверстии установлен лопаточный аппарат для дополнительного перемешивания потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, а огнетушащий порошок выполнен в виде нанопорошка.

Технический эффект, реализуемый заявляемым способом комбинированного пожаротушения, обуславливается следующим.

Ограничение скорости названного потока до значений, при которой его высокодисперсная система остается седиментационно-устойчивой, позволяет создать эффективный комбинированный огнетушащий состав для аэрозольного объемного и локального пожаротушения.

Это подтверждается данными работы (http://chem21.info. Аэрозоли сидементация - Справочник химика 21, с. 352), в которой установлено, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами, их разрушение всецело связано с кинетической устойчивостью. В связи с проблемами газоочистки понятие кинетической устойчивости (сформировавшейся при рассмотрении спонтанного процесса разрушения коллоидов) нуждается в обобщении применительно к рассмотрению процессов принудительного разрушения. Кинетическая устойчивость сводится к седиментационной лишь тогда, когда дисперсные частицы от дисперсионной среды отделяются в процессе седиментации, то есть в случае грубодисперсных систем. В противоположном предельном случае высокодисперсных аэрозолей частичная концентрация падает за счет броуновской диффузии частиц к поверхности коллектора. Именно этот спонтанный процесс контролирует кинетическую устойчивость в высокодисперсных системах.

В той же работе (с. 59) определен минимальный размер частиц r_min, который при минимальной скорости седиментации, поддающейся измерению, составляет примерно 1 мкм.

Отсюда следует, что скорость седиментации не должна превышать определенных значений, при которых в заявляемом случае будет происходить разрушение комбинированного огнетушащего состава.

Дополнительное перемешивание в лопаточном аппарате потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка на выходе из устройства пожаротушения позволяет более равномерно распределить наноразмерные частицы огнетушащего порошка в газообразном потоке аэрозоля.

Аналитические исследования распространения порошковой струи с концентрацией более 40 кг-кг''1 показали (Ульянов Николай Иванович. Введение диссертации (часть автореферата). Обоснование параметров струеобразующих устройств для подачи огнетушащих порошковых составов: 05.26.03; [Место защиты: Москва]. - Москва, 2000. - 206 с., Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com), что на ее основном участке изменение основных параметров (скорости, плотности и удельного расхода) связано с параметрами порошковой аэросмеси на выходе из насадка, его выходным диаметром и углом расширения порошковой струи.

Использование в заявляемом способе в качестве огнегасящего порошка нанопорошка позволяет повысить огнетушащую способность ранее известных составов на основе огнетушащего порошка и аэрозоля. Причем в заявляемом техническом решении размер частиц нанопорошка значительно меньше размера частиц конденсированной фазы аэрозоля. Это позволяет существенно поднять ингибирующую способность заявляемого комбинированного огнетушащего состава по сравнению с известными комбинированными огнетушащими составами, в которых применяется обычный огнетушащий порошок.

При этом, чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс. Учитывая то, что, несмотря на более высокую стоимость огнетушащего нанопорошка по сравнению с обычным огнетушащим порошком, его применение компенсируется значительно меньшим расходом при тушении пожаров.

Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством пожаротушения, обуславливается следующим.

Исполнение в средстве для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка диафрагмы в виде сетки позволяет исключить струйное истечение выходящего потока наноразмерных частиц огнетушащего порошка в газообразном потоке аэрозоля из заявляемого устройства. При этом сетка будет оказывать наименьшее сопротивление названному выходящему потоку.

Известно (Аэрозоли и порошки_Реферат_Химия.html), что характерное свойство порошков - способность к течению и распылению. Порошки, как и сплошные тела, способны течь под действием внешнего усилия, направленного тангенциально (по касательной) к поверхности. Течение порошков заключается в отрыве слоя частиц от себе подобных или от поверхности и в перемещении отдельных частиц или их агрегатов при сохранении границы раздела между ними. Движение осуществляется тремя способами:

- частицы перекатываются по поверхности;

- частицы отрываются и падают обратно (переносятся "прыжками");

- частицы переносятся в состоянии аэрозоля.

При некоторой скорости внешнего усилия (воздушного потока), называемой критической, большая часть частиц будет передвигаться "прыжками". Из полидисперсного порошка выдувается более мелкая фракция. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходит в состояние аэрозоля и перемещается над поверхностью порошка. Рассмотренный характер течения порошков обусловливает зависимость текучести порошков от адгезионных и аутогезионных сил, затрудняющих отрыв и передвижение частиц, то есть грубодисперсные порошки обладают более высокой текучестью, чем высокодисперсные.

Для мягких веществ характерна пластическая деформация, в результате которой увеличивается площадь контакта частиц

, уменьшается текучесть.

Важной характеристикой является также распыляемость порошка при пересыпании, определяемая силами сцепления между частицами

, увеличивается при возрастании размеров частиц и уменьшается с увеличением влажности. Существует несколько эмпирических закономерностей:

- гидрофобные порошки распыляются лучше, чем гидрофильные;

- порошки из твердых веществ распыляются лучше, чем из мягких;

- монодисперсные порошки распыляются лучше полидисперсных.

Известно (http.//www.ngpedia.ru/id292941p2.html), что порошок или аэрозоль называют монодисперсным, когда составляющие их частицы имеют одинаковый размер, и полидисперсным при содержании в них частиц разного размера. Монодисперсных порошков и аэрозолей в природе практически не существует.

В связи с тем, что нанопорошок является самой высокодисперсной фракцией заявляемого комбинированного огнетушащего состава, его окончательное перемешивание в струйном потоке, при котором скорость истечения отмеченного ранее потока может достигнуть критических значений, по мнению автора изобретения будет нарушено из-за непредсказуемого поведения высокодисперсных частиц комбинированного огнетушащего состава.

Отсюда следует, что скорость истечения потока наноразмерных частиц огнетушащего порошка в газообразном потоке аэрозоля в заявляемом случае должна быть ограничена. Это достигается применением в заявляемом техническом решении медленно горящего аэрозольного газогенератора.

Установка в средстве для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка лопаточного аппарата для дополнительного перемешивания потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка позволяет повысить равномерность перемешивания компонентов комбинированного огнетушащего состава.

Применение в устройстве пожаротушения огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, позволяет повысить ингибирующую способность самого комбинированного состава в целом.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают условию патентоспособности «новизна».

При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к техническим решениям, связанным с перемешиванием газообразных и порошкообразных веществ, а также с созданием комбинированных огнетушащих составов для объемного пожаротушения.

Известен способ тушения пожаров (Патент RU №1741817, А62С 2/00, опубл. 23.06.1992).

Сущность изобретения заключается в том, что предварительно размещают в защищаемом объеме генераторы с зарядами газоаэрозольных составов. При пожаре приводят их в действие, а затем с задержкой во времени, равной времени горения очага пожара, подают огнетушащий порошок.

Однако данное техническое решение не предусматривает в процессе тушения очага горения смешение газоаэрозольной смеси и огнетушащего порошка.

Известны способ получения огнетушащей смеси и устройство для его осуществления (Патент RU №2176925, А62С 35/00, опубл. 20.12.2001). Сущность изобретения состоит в том, что газопорошковую смесь первоначально размельчают в шнековом завихрителе, затем разгоняют ее в сверхзвуковом сопле и направляют на ударную волну, возникающую при набегании сверхзвукового потока на тело конической формы, установленное на выходе из сверхзвукового сопла. Предварительно измельченный огнетушащий порошок, взаимодействуя с ударной волной как с проницаемой преградой, диспергируется в аэрозоль, а полученную ультрадисперсную газоаэрозольную смесь формируют с помощью насадков в виде распыленного облака или компактной струи и подают в очаг пожара. Устройство, реализующее данный способ, представляет собой шнековый завихритель, установленный на входе в сверхзвуковое сопло, на выходе из которого размещено тело конической формы и насадок. Устройство может быть размещено непосредственно в емкости с огнетушащим порошком при использовании его в качестве стационарных установок пожаротушения, а также может быть удалено от емкости с помощью гибких шлангов при использовании его в качестве лафетного или ручного стволов. Кроме того, данное устройство может быть подсоединено к шлангу носимого (ранцевого) или возимого огнетушителей.

1. В качестве рабочего тела, предназначенного для вытеснения огнетушащего порошка, заявлен диоксид углерода (СО₂), который относится к инертным газообразным разбавителям воздуха.

Установлено (Булгаков Юрий Федорович. Разработка способов и средств порошкового и пенного тушения сложных подземных пожаров: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.26.01 - (по отраслям) / Булгаков Юрий Федорович. Донецкий технический университет.(83030, г. Донецк, ул. Артема, 58), 2000 г. (Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com), что тушение пожаров огнетушащим порошком с добавлением аэрозольобразующих составов заметно повышает огнетушащую эффективность первых и, кроме того, образующиеся при сгорании аэрозольобразующих составов газы можно использовать в качестве энергоносителя для вспушивания порошка и транспортирования его к очагу пожара. Это дает возможность полностью или частично отказаться в установках пожаротушения от применения баллонов, в которых содержится сжатый воздух под высоким давлением.

В техническом решении используется емкость с диоксидом углерода, находящаяся в дежурном режиме под давлением.

Как было отмечено ранее, ингибирующими свойствами в огнетушащей смеси, являющейся комбинированным составом, обладает только порошок. Причем его ингибирующая способность, как было отмечено ранее, зависит от его степени измельчения.

Из описания изобретения непонятна до конца структура полученной ультрадисперсной газоаэрозольной смеси, и какова дисперсность измельченных частиц огнетушащего порошка.

Заявленный способ и устройство предназначены согласно описанию изобретения только для флегматизации пожароопасной среды.

2. Полученная ультрадисперсионная газоаэрозольная смесь, сформированная с помощью насадков в виде распыленного облака или компактной струи для подачи в очаг пожара, имеет такую скорость истечения, при которой ее использование в ручном стволе невозможно по следующим причинам:

Во первых, при таком истечении смеси на выходе из ствола возникает значительная сила реакции струи (http://www.studfiles.ru. Радел 4.2. Вертикальные и наклонные струи. Реакция струи), при которой оператор тушения удержать названный ствол физически не сможет.

Во вторых, ранее было установлено в работе (http://chem21.info. Аэрозоли седиментация-Справочник химика 21, с. 275), что большинство методов разрушения аэрозолей связано с интенсификацией процессов коагуляции, коалесценции и прилипания частиц аэрозолей к поверхностям (твердым стенкам фильтров, к каплям жидкости при искусственном дождевании), а также процессов седиментации (путем изменения скорости и направления потока аэрозоля при инерционном осаждении).

Очевидно, что при такой скорости истечения в ультрадисперсной газоаэрозольной смеси будет наблюдаться интенсивный процесс седиментации.

Это подтверждается данными в работе (http://chem21.info. Аэрозоли седиментация-Справочник химика 21, с. 59), в которой отмечено, что более тонкодисперсные частицы седиментируют в сильных центробежных полях с помощью ультрацентрифуг.

3. Ускорение газового потока до сверхзвукового (М>1) и создание преграды для получения косых скачков уплотнения предъявляют дополнительные требования к прочностным характеристикам элементов конструкции устройства для получения огнетушащей смеси при возникновении возникающих в этом случае ударных волн.

Известна модульная система пожаротушения с вихревым аппаратом формирования газожидкостной смеси (Патент RU №2413554, A62C 35/00 (2006.01), опубл. 10.03.2011).

Сущность изобретения состоит в том, что в системе пожаротушения сосуд крепится кронштейнами к строительной конструкции помещения и имеет устройство сброса газовой фазы, совмещенное с мерным щупом для огнетушащего вещества, и для формирования вихревой газожидкостной смеси оснащен конической камерой смешения с тангенциальным вводом в верхней части посредством гибкого шланга высокого давления рабочего газа из пускового баллона.

Подвод огнетушащего вещества осуществляется по элементу, соосному камере и выполненному в виде конической перфорированной спирали, а подача газожидкостной смеси в центральный трубопровод осуществляется из нижней части камеры, соединенной с устройством слива огнетушащего вещества, совмещенным с предохранительным клапаном. Вертикальный патрубок камеры смешения соединен с устройством залива огнетушащего вещества и сигнализатором давления, а пусковой баллон расположен рядом с емкостью для огнетушащего вещества и оснащен запорно-пусковым устройством. Каждый узел распределительной сети распределяет газожидкостную смесь посредством тройника или устройства распределения специальной конструкции, например камерного типа, а каждый ороситель или блок оросителей снабжен устройством ориентации в одной или двух плоскостях.

Однако такой способ не пригоден для создания комбинированного аэрозолепорошкового состава, так как при движении этого состава через вихревой элемент камеры смешения в центральный трубопровод и далее через распределительную сеть ко всем оросителям происходит интенсивное осаждение твердых частиц, образующихся при сгорании аэрозольгенерирующего топлива и нанопорошка. Причем, чем длиннее будут центральный трубопровод и распределительная сеть, тем больше будут потери активной (ингибирующей) части комбинированного состава.

Эти выводы отмечены в работе (http://chem21.info. Аэрозоли седиментация-Справочник химика 21, с. 271), где отмечено, что газовая дисперсионная среда вносит ряд своеобразных черт в свойства аэрозолей. Прежде всего - это их принципиальная лиофобность и отсутствие эффективных путей стабилизации. Время разрушения аэрозольной системы определяется только скоростью седиментации или коагуляции. Иначе говоря, устойчивость аэрозолей, во всяком случае аэрозолей с заметной концентрацией дисперсной фазы, носит кинетический характер.

Известен способ тушения пожара и многоструйный формирователь потока огнетушащего порошка для его осуществления (варианты) (Патент RU, №2259855, A62C 31/02, опубл. 10.09.2005).

Способ тушения пожара включает формирование, по крайней мере, одной группы направленных на очаг пожара струй газопорошковой смеси. Каждую группу формируют в виде пучка направленных на очаг пожара струй газопорошковой смеси. В каждом пучке оси смежных между собой струй располагают под одинаковым углом друг относительно друга, который не превышает половины угла раскрыва струи газопорошковой смеси. Описываются три варианта выполнения многоструйного формирователя потока огнетушащего порошка. Использование изобретения позволяет повысить надежность тушения пожара за счет обеспечения высокой равномерности удельного расхода огнетушащего порошка в пределах всей защищаемой поверхности.

Однако данное техническое решение не предусматривает дополнительное перемешивание струй газопорошковой смеси на выходе из многоструйного формирователя потока огнетушащего порошка.

Из описания изобретения (Патент RU, №2259855, A62C 31/02, опубл. 10.09.2005) известен способ тушения пожара, включающий формирование, по крайней мере, одной группы направленных на очаг пожара струй газопорошковой смеси (Международная заявка WO №03824 А1, 1968). Для осуществления этого способа используется (описанный там же) многоструйный формирователь потока огнетушащего порошка, содержащий входной патрубок с расположенной на его конце насадкой, выполненной в виде установленных симметрично относительно продольной плоскости симметрии входного патрубка рассекателей (лопастей) потока газопорошковой смеси треугольного сечения.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что оно не обеспечивает высокой эффективности тушения пожара вследствие неравномерного распределения концентрации огнетушащего порошка по сечению газопорошкового потока непосредственно в очаге пожара. Иными словами, из-за отсутствия у насадки осевой симметрии не обеспечивается равнотолщинность слоя огнетушащего порошка, наносимого на защищаемую поверхность.

Кроме этого в заявляемом техническом решении формируется одноструйный поток, а дополнительное перемешивание потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, производят в выходном отверстии средства для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка.

Известна вихревая труба (Патент RU, №2370710, F25B 9/04 (2006.01), опубл. 20.10.2009).

Вихревая труба содержит соосные корпус с камерой энергетического разделения, приемную камеру с кольцевой диафрагмой, патрубком для вывода холодного потока и размещенным между диафрагмой и корпусом устройством соплового ввода. Устройство соплового ввода выполнено в виде равномерно расположенных по кольцу диафрагмы плоских серповидных элементов, ограниченных дугами двух окружностей. Внутренняя или обе дуги размещены по касательной к соосной корпусу окружности, на которой расположены острые концы серповидных элементов с диаметром, большим диаметра отверстия диафрагмы.

Вихревая труба работает по принципу, в которой реализуется эффект Ранка-Хилша. Протекание процесса в вихревой трубе зависит от рабочей среды. В случае газа происходит разделение его на холодный и теплый слои. Холодный слой отбрасывается к стенке трубы, теплый - концентрируется в середине. В случае жидкости она также разделяется на горячую и теплую воду, температуры которых превышают температуру входящей в трубу жидкости (Возможности струйных технологий в энергетике.html).

В серповидных каналах этого устройства газ не только увеличивает скорость по направлению к выходу из канала, которая может достигать скорости звука в газе при данных условиях, но и претерпевает раскрутку, что совершенно необходимо для работы вихревой трубы. Подобная конструкция соплового ввода отличается той особенностью, что выходящие из серповидных каналов струи не претерпевают соударений между собой, которые характерны для известных многосопловых вводов. Это в значительной мере экономит энергетический запас струй, который далее используется для наращивания скорости газового потока.

Однако в заявляемом техническом решении при создании комбинированного огнетушащего состава поток распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего нанопорошка не разгоняют до значений, равных или более скорости звука. Это позволяет, как было отмечено ранее, избежать критической скорости истечения потока комбинированного огнетушащего состава, при которой большая часть его частиц будет передвигаться "прыжками" (Аэрозоли и порошки_Реферат_Химия.html), а также, как было отмечено ранее, избежать интенсивный процесс седиментации этого потока.

Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом и устройством.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.

Осуществление технического решения может быть реализовано следующим образом.

При реализации заявляемого технического решения необходимо учитывать следующие общеизвестные сведения из уровня техники.

Известно (А.Н. Баратов. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 288), что согласно экспериментальным данным аэрозольный огнетушащий состав с размером частиц около 1 мкм втрое эффективнее, чем порошки с размером частиц около 10 мкм. В таких условиях можно полагать, что полное испарение частиц не происходит, и частицы остаются в основном твердыми. В этом случае повышение поверхности твердых частиц с увеличением дисперсности играет важную роль.

Ранее было установлено (А.Н. Баратов. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 314), что механизм огнетушащего действия аэрозоля аналогичен механизму действия огнетушащих порошков и заключается в комбинированном гомогенно - гетерогенном ингибировании процесса горения. Причем, поскольку размер частиц аэрозоля почти на два порядка меньше размера частиц порошка, роль гомогенного ингибирования возрастает.

Следует отметить (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 313), что основной вклад в огнетушащее действие аэрозоля вносит конденсированная фаза, размер частиц которой составляет около 10^-6 м.

По результатам проведенных испытаний (Булгаков Юрий Федорович. Разработка способов и средств порошкового и пенного тушения сложных подземных пожаров: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.26.01 - (по отраслям) / Булгаков Юрий Федорович. Донецкий технический университет.(83030, г. Донецк, ул. Артема, 58), 2000 г. (Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com) было установлено, что тушение пожаров огнетушащим порошком с добавлением аэрозольобразующих составов заметно повышает огнетушащую эффективность первых и, кроме того, образующиеся при сгорании аэрозольобразующих составов газы можно использовать в качестве энергоносителя для вспушивания порошка и транспортирования его к очагу пожара. Это дает возможность полностью или частично отказаться в установках пожаротушения от применения баллонов, в которых содержится сжатый воздух под высоким давлением.

В работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 117) отмечено, что огнетушащая эффективность некоторых порошков в ряде случае выше, чем бромхладонов.

Из уровня техники (Патент RU, №2419471, кл. МПК A62C 2/10 (2006.01), опубл. 27.05.2011, Заявка RU №2012142461 от 04.10.2012, опубл. 10.04.2014, A62D 1/00 (2006.01) известно новое огнетушащее средство, выполненное в виде нанопорошка, ингибирующая способность которого превосходит все известные огнетушащие средства.

Было установлено (Нанопорошки.mht), что нанопорошки обладают огромной удельной поверхностью, а значит и избыточной поверхностной энергией. Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие. Поэтому применение нанопорошков в качестве огнетушащего порошкового средства, по мнению автора изобретения, является наиболее перспективным ингибирующим средством при объемном тушении на пожаро- и взрывоопасных объектах.

Известно (Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. Федорченко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И.Д. и др. - Киев: Наук. думка, 1985. - 624 с.), что порошки с нанометровым размером частиц выделяют в отдельный класс материалов в силу уникальности их строения и свойств и называют ультрадисперсными порошками, ультрадисперсными материалами или нанопорошками. Уникальность их структуры обусловлена тем, что при размере частиц менее 10 нм высокая относительная доля атомов на их поверхности приводит к большому влиянию поверхностных явлений на их кристаллическую структуру, и поэтому их структура характеризуется несколько меньшими межатомными расстояниями, более высокой плотностью упаковки атомов и высокой нестабильностью этой упаковки. Для оценки поведения порошкового материала в конкретных условиях его уплотнения используют различные качественные и полуколичественные характеристики.

По мнению автора изобретения, используя огромную удельную поверхность нанопорошков, можно значительно повысить эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения. При этом, чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

По определению наночастицы должны иметь диаметр менее 100 нм. Почти половина нанопорошков имеет диаметр менее 30 нм. Девять процентов порошков, относящихся к группе «нано», имеют диаметр более 100 нм. Большинство производителей предлагают порошки диаметром от 5 до 100 нм. При определении цены не столь важен размер частиц, сколько важна чистота и однородность (http://nano-info.ru/post/439/ Нанопорошки. Назначение, свойства, производство).

Отсюда можно сделать вывод, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения, и чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

Поэтому по мнению автора изобретения оптимальным размер частиц нанопорошка должен быть от 5 до 30 нм с учетом существующего уровня производства названных материалов. В дальнейшем с учетом развития производства нанопорошков следует переходить на применение нанопорошков размером частиц менее 5 нм.

Отличительным свойством названных порошков является возможность манипулирования с ними: нанопорошки можно сыпать, уплотнять, разрыхлять, склеивать и даже заставить течь. Отдельную наночастицу можно сравнивать с отдельной личностью, а нанопорошок - с толпой. Сама по себе частица - интересная, уникальная, особенная. Она характеризуется определенным химическим составом, твердостью, плотностью, электропроводностью, магнитными свойствами, гигроскопичностью и т.п. Наряду со свойствами вещества при описании частицы говорят о размере, форме, шероховатости поверхности, химическом составе поверхностного слоя, химическом составе слоев адсорбированных веществ, смачиваемости, диэлектрической проницаемости и растворимости поверхностного слоя (Нанопорошки.mht).

Ранее было установлено (Аэрозоли и порошки_Реферат_Химия.html), что вязкость воздуха примерно в 1000 раз меньше вязкости воды; поэтому седиментационная устойчивость аэрозолей ниже, чем суспензий. Для высокодисперсных аэрозолей характерны более интенсивное броуновское движение и диффузия, чем для золей.

Для частиц диаметром >0,5 мкм скорость броуновского движения не может конкурировать со скоростью седиментации. Для частиц диаметром менее 0,5 мкм (50 нм) скорость броуновского движения превышает скорость седиментации, что означает установление седиментационно-диффузионного равновесия - высокодисперсная система становится седиментационно-устойчивой.

В результате броуновского движения и диффузии высокодисперсные частицы приобретают способность перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Коэффициент диффузии в жидкой среде может колебаться в пределах 10^-8-10^-10 м²/с. В воздушной среде он имеет более высокие значения и может достигать 10^-6 м²/с, а это означает, что движение высокодисперсных частиц одного и того же размера в воздухе будет интенсивнее, чем в жидкости.

Известно (Исавнин Н.В. Средства порошкового пожаротушения. М., Стройиздат, 1983, с. 104-105), что газ с мелкодисперсными частицами сыпучего тела может образовывать однородную и неоднородную смеси. Первая из них называется псевдожидкостью, поскольку по своим свойствам близка к капельным средам, вторая состоит из такой же смеси с избыточным количеством воздуха в виде отдельных пузырей различного размера. Сплошной поток представляет собой движение однородной смеси, плотность которой при начальных условиях близка или равна насыпной. Этот вид транспортирования обеспечивается при предварительной аэрации порошка и отсутствии подпитки питателя газом снизу во время работы установки. Возможна незначительная подпитка сверху. Аэрирование порошка производится посредством аэроднища, форсунок или других устройств.

Транспортирование при остальных видах движения представляет собой перемешивание смеси с различной неоднородностью. При транспортировании со средней концентрацией (из установок 2 - типа) поступающая в трубопровод смесь состоит из предварительно взрыхленного порошка и пузырей воздуха. Последние образуются при подпитке питателя газом через форсунки. Газ, выходящий от отверстий форсунок в виде струек, коагулируется в отдельные пузыри, частично попадающие в сифонную трубу и являющиеся основной причиной пульсации в потоке. Устойчивое транспортирование возможно только при давлении в сосуде не ниже 0,4 МПа.

Аэрирование слоя и подпитка газом в третьем случае (установки 1 - типа) производятся с помощью аэроднища при скоростях псевдоожижения от 1 до 3 см/с. Попадание сжатого газа в сыпучий материал осуществляется в виде мелких струек, чем при использовании форсунок, и однородность аэрации слоя значительно повышается, а вероятность появления крупных пузырей снижается, чем создаются условия для более упорядоченного движения порошка при относительно низких значениях давления. Он приобретает псевдоожиженное состояние, близкое к свойствам жидкости.

Учитывая изложенное, можно сделать предположение, что приведенную модель получения однородной смеси можно применить для создания новой модели (согласно заявляемому техническому решению), в которой производят перемешивание потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего нанопорошка.

Экспериментально было установлено (Булгаков Юрий Федорович. Разработка способов и средств порошкового и пенного тушения сложных подземных пожаров: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.26.01 - (по отраслям) / Булгаков Юрий Федорович. Донецкий технический университет.(83030, г. Донецк, ул. Артема, 58), 2000 г. (Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com), что рациональное соотношение масс порошка и аэрозоля составляет 10 к 1, а огнетушащая эффективность установки возрастает при этом на 40-50%.

Известно (http://studopedia.ru.html), что аэрозоли, обладая при высокой дисперсности достаточной седиментационной устойчивостью, обычно являются агрегативно неустойчивыми системами, и в них всегда идет процесс коагуляции. Этим объясняется сравнительно небольшой срок жизни аэрозолей. Максимальную неустойчивость проявляют аэрозоли с наиболее крупными и наиболее мелкими частицами. Первые системы неустойчивы из-за большой скорости оседания частиц, вторые - вследствие интенсивного броуновского движения, приводящего к столкновению частиц и образованию агрегатов.

Коагуляция аэрозолей, являющаяся, как правило, процессом быстрой коагуляции, протекает значительно быстрее, чем коагуляция лиозолей, из-за более интенсивного броуновского движения в системах с газовой дисперсионной средой. Скорость коагуляции сильно возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля. Поэтому как в природе, так и в производственных условиях аэрозоли весьма сильно разбавлены.

Известно (Ульянов Николай Иванович. Введение диссертации (часть автореферата). Обоснование параметров струеобразующих устройств для подачи огнетушащих порошковых составов: 05.26.03; [Место защиты: Москва].- Москва, 2000. - 206 с., Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com), что пожарные автомобили порошкового тушения предназначены для тушения ЛВЖ и ГЖ в различных областях промышленности. Для формирования потока порошковой струи с высокой концентрацией (более 40 кг-кг''1) целесообразно использовать конфузорно-диффузорные насадки. Изучение технической литературы и результатов исследований показало, что не имеется обоснованных методов как расчета струеобразующих насадков, так и огнетушащей дальности порошковых струй.

Отсюда можно сделать вывод, что совместная подача нанопорошка, обладающего ярко выраженным ингибирующем действием на химические реакции в зоне горения, и газообразного аэрозоля из устройства пожаротушения с газогенератором связана со следующими проблемами:

1. Известно (Булгаков Юрий Федорович. Разработка способов и средств порошкового и пенного тушения сложных подземных пожаров: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.26.01 - (по отраслям) / Булгаков Юрий Федорович. Донецкий технический университет (83030, г. Донецк, ул. Артема, 58), 2000 г. (Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com), что при определенных температурных условиях в режиме псевдоожижения обычного порошка при его контакте с образующимися при сгорании аэрозольного заряда газами и коксующимися веществами наблюдается процесс спекания частиц названного порошка. Совершенно очевидно, что этот процесс значительно ускорится при замене обычного порошка наноразмерными частицами, обладающими, как было отмечено ранее, чрезвычайно высокой химической активностью.

Поэтому температура газообразного аэрозоля не должна превышать температуры спекания наноразмерных частиц.

2. Из уровня техники известны способы перемешивания огнетушащего порошка в движущемся струйном потоке аэрозоля. Например, в устройстве для тушения локальных пожаров (Патент RU, №2050874, кл. МПК A62C 35/00, опубл. 27.12.1995, в результате одновременного действия двух потоков газа по всей глубине массы огнетушащего порошка производится перемешивание огнетушащего порошка в движущемся струйном потоке аэрозоля. Это достигается за счет дефлектора, выполненного в виде стакана, имеющего тангенциальные отверстия на боковой поверхности.

Было установлено (http://studopedia.ru.html), что характерной особенностью порошков является флуктуация, то есть переход в состояние, подобное жидкому (псевдожидкое). Если через слой порошка, находящегося в цилиндрическом сосуде, подавать снизу с постоянно возрастающей скоростью какой-нибудь газ, то при малых скоростях течения частицы порошка остаются неподвижными, а высота слоя и коэффициент заполнения пространства постоянными. Когда градиент давления газа сравняется с градиентом гидростатического давления порошка, равнодействующая всех сил, действующая на частицу, станет равной нулю и при дальнейшем повышении скорости течения среды слой начнет расширяться, структура порошка становится более рыхлой. После расширения слоя порошка до определенного размера (5-20% от начального объема) частицы начинают двигаться и газ начинает барботировать, как через жидкость. В этом состоянии порошок напоминает кипящую жидкость, отчего и получил название "кипящего слоя". Порошки в псевдожидком состоянии благодаря своей текучести легко перемещаются по наклонной плоскости, что используется в промышленных транспортных желобах.

Очевидно, что при формировании комбинированного аэрозолепорошкового состава в процессе перемешивания газообразных продуктов сгорания с нанопорошком следует

учитывать, что каждая частица огнетушащего нанопорошка обладает незначительной массой по сравнению с частицами обычного огнетушащего порошка.

3. В изобретении (Патент RU, №2095099, A62C 13/22, опубл. 10.11.1997) поток аэрозоля подают в очаг пожара совместно с охлаждающим пожаротушащим агентом со сверхзвуковой скоростью истечения.

В исследованиях Ульянова Н.И. (Порошковое пожаротушение - Википедия.html) приводится модель газопорошковой струи, ориентированной на расчет порошкового пожаротушения. Схематически порошковая струя представляется состоящей из двух участков: начального с большой концентрацией частиц порошка и основного, заполненного движущимися частицами порошка с большим количеством увлеченного атмосферного воздуха. Границы переходного участка являются продолжением границ начального участка. При продолжении границ основного участка они пересекаются в точке, называемой полюсом основного участка. Переходное сечение струи совпадает с началом основного участка, и в нем происходит излом границ струи.

Проведенными исследованиями (Исавнин Н.В. Средства порошкового пожаротушения. М., Стройиздат, 1983, с. 117) установлено, в какой степени изменяются основные параметры газового потока порошковой струи. Угол расширения струи с увеличением ее загрузки частицами порошка снижается с появлением ярко выраженного прямолинейного участка с полым углом расширения 8-12°. Относительный профиль скоростей струи отвечает закону Шлихлинга, а осевая скорость газового потока снижается по более пологой зависимости. В том же отношении падает и осевая плотность частиц порошка. Более плотные струи являются предпочтительными для тушения, поскольку имеют большую эффективную струю.

Это подтверждается данными, приведенными в работе (https://ru.wikipedia.org/wiki/ Порошковое_пожаротушение), где отмечено, что параметры газопорошковых струй, истекающих из ручных огнетушителей, сильно отличаются от свойств газопорошковых струй, создаваемых импульсными модулями порошкового пожаротушения.

Результаты опытов (Ульянов Николай Иванович. Введение диссертации (часть автореферата). Обоснование параметров струеобразующих устройств для подачи огнетушащих порошковых составов: 05.26.03; [Место защиты: Москва]. - Москва, 2000. - 206 с., Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com) подтвердили, что для порошковых струй отношение тангенсов половин углов расширения на основном и начальном участках составляет 1,57, как и для всех турбулентных струй. Установлено, что расширение порошковой струи зависит от статического давления на срезе насадка, его диаметра, начальной порозности порошковой аэросмеси в рабочем сосуде, плотности и дисперсности порошкового состава, причем статическое давление оказывает наибольшее влияние. Получены эмпирические зависимости для расчета тангенса половины угла расширения на выходе порошковой струи из струеобразующего конфузорно-диффузорного насадка с циллиндрическим участком.

Установлено (Ульянов Николай Иванович. Введение диссертации (часть автореферата). Обоснование параметров струеобразующих устройств для подачи огнетушащих порошковых составов: 05.26.03; [Место защиты: Москва]. - Москва, 2000. - 206 с., Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com), что в порошковой струе, направляемой горизонтально, сила тяжести начинает оказывать влияние на распределение порошка в ее вертикальном сечении только во второй зоне основного участка. При этом экспериментальные значения удельных расходов порошка, представленные в безразмерном виде, отклоняются от эмпирической кривой распределения лишь вблизи верхней и нижней границ струи, причем более значительно около нижней границы. В горизонтальном сечении струи профиль удельного расхода порошка является симметричным.

На основании приведенных научно обоснованных данных очевидно, что в заявляемом техническом решении должны быть созданы дополнительные условия по созданию такого потока, в котором наноразмерные частицы огнетушащего порошка будут равномерно распределены в газообразном потоке аэрозоля.

Несомненно то, что одновременная подача в очаг горения газообразного аэрозоля и огнегасящего порошка, выполненного в виде нанопорошка, позволяет резко ускорить процесс ингибирования пожароопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени. Это по мнению автора изобретения является наиболее эффективным и перспективным путем применения нанопорошков в объемном пожаротушении.

В работе (Булгаков Юрий Федорович. Разработка способов и средств порошкового и пенного тушения сложных подземных пожаров: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.26.01 - (по отраслям) / Булгаков Юрий Федорович. Донецкий технический университет. (83030, г. Донецк, ул. Артема, 58), 2000 г. (Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com) экспериментально установлено резкое повышение эффективности пожаротушения при последовательном использовании пламегасящих и охлаждающих составов: огнетушащего порошка и воздушно-механической пены; огнетушащего порошка и аэрозоля; аэрозоля и воздушно-механической пены; при этом для модельных очагов пожара класса В, определены рациональные численные значения соотношений: порошка и пены; порошка и аэрозоля; пены и аэрозоля (соответственно 1:1,10:1,90:1).

При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности повышения огнетушащей способности порошковых огнегасящих средств далеко не исчерпаны. Как показывает анализ научной литературы (Сабинин Олег Юрьевич. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03/ Сабинин Олег Юрьевич; [Место защиты: Акад. гос. противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), в настоящее время в достаточной степени не определены и научно не обоснованы требования к химическому и дисперсному составу огнетушащих порошков в зависимости от области их применения, в частности для использования их в импульсных порошковых модулях.

В дальнейшем изобретение поясняется примером его реализации, однако не ограничивающим возможностей его осуществления.

На Фиг. 1 представлено в разрезе устройство пожаротушения, реализующее заявляемые способ комбинированного пожаротушения и комбинированный состав, на Фиг. 2 - вид в плане лопаточного аппарата средства для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка (вид А).

Устройство содержит корпус 1, во внутренней полости которого вдоль его оси смонтированы последовательно заряд 2 из аэрозолеобразующего состава, узел воспаления 3, теплопоглощающее устройство 4, заполненное гранулированным материалом 5 для охлаждения аэрозоля.

Свободная полость 6, образованная диафрагмами, выполненными в виде сеток 7 и 8, которые отделяет заряд 2 от теплопоглощающего устройства 4.

В заявляемом устройстве за теплопоглощающим устройством 4 выполнена дополнительная полость 9, отделяющая последнее устройство от огнетушащего порошка 10, выполненного в виде нанопорошка и помещенного в полимерную оболочку 11. Полость 9 отделена от оболочки 11 диафрагмой, выполненной в виде сетки 12.

Устройство содержит средство 13 для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка, перед которым на входе смонтирована диафрагма, выполненная в виде сетки 14.

Выходное отверстие 15 средства 13 выполнено в виде раструба 16. В названном средстве установлен лопаточный аппарат 17 для дополнительного перемешивания потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка.

В лопаточном аппарате 17 равномерно по периметру смонтированы лопатки 18 (на Фиг. 2 условно обозначена одна лопатка), предназначенные для дополнительного перемешивания потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего нанопорошка.

Устройство работает следующим образом. После срабатывания узла воспаления 3 поджигается заряд 2 из аэрозолеобразующего состава. Образующийся ингибирующий аэрозоль, проходя через свободную полость 6 и через гранулированный материал 5 теплопоглощающего устройства 4, поступает охлажденным через полость 9 и, проходя через сетку 12, прорывает полимерную оболочку 11. В результате этого взаимодействия аэрозоль вспушивает огнетушащий нанопорошок 10 и вместе с ним поступает в виде потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего нанопорошка через сетку 14 в средство 13 для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка.

Исполнение диафрагмы в виде сетки 14 позволяет исключить струйное истечение выходящего потока наноразмерных частиц огнетушащего порошка в газообразном потоке аэрозоля из заявляемого устройства. При этом сетка 14 будет оказывать наименьшее сопротивление названному потоку.

На выходе из средства 13 этот поток дополнительно перемешивают в лопаточном аппарате 17, после чего равномерно перемешанный, полидисперсный поток поступает в контролируюмую зону.

Дополнительное перемешивание в лопаточном аппарате потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка на выходе из устройства пожаротушения производят при ограничении скорости потока до значений, при которой его высокодисперсная система остается седиментационно-устойчивой, поэтому скорость истечения потока наноразмерных частиц огнетушащего порошка в газообразном потоке аэрозоля в заявляемом случае должна быть ограничена. С этой целью в заявляемом техническом решении применен медленно горящий аэрозольный газогенератор.

Это позволяет более равномерно распределить наноразмерные частицы огнетушащего порошка в газообразном потоке аэрозоля.

Анализ современных теоретических представлений о механизмах порошкового пожаротушения и общеизвестные сведения из уровня техники показали большую перспективу применения нанопорошков, одновременно подаваемых с газообразным аэрозолем.

В техническом решении используется огромная удельная поверхность нанопорошка, которая значительно повышает эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошок самым активным образом влияет на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения. При этом, чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

Заявляемое техническое решение просто в эксплуатации и может быть использовано для аэрозольного объемного и локального пожаротушения в установках автоматического пожаротушения.

Claims

1. Способ комбинированного пожаротушения, включающий подачу ингибирующего аэрозоля и огнетушащего порошка одновременно из устройства пожаротушения в виде потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, отличающийся тем, что скорость названного потока ограничивают до значений, при которой его высокодисперсная система остается седиментационно-устойчивой, на выходе из устройства пожаротушения этот поток дополнительно перемешивают в лопаточном аппарате, а в качестве огнетушащего порошка используют нанопорошок.

2. Устройство пожаротушения, содержащее корпус с зарядом из аэрозолеобразующего состава и узлом воспламенения, теплопоглощающее устройство, заполненное материалом для охлаждения аэрозоля, и полимерную оболочку с огнетушащим порошком, смонтированную за теплопоглощающим устройством, средство для выхода аэрозоля и огнетушащего порошка, отличающееся тем, что в названном средстве диафрагма выполнена в виде сетки и в его выходном отверстии установлен лопаточный аппарат для дополнительного перемешивания потока распыленного в охлажденном ингибирующем аэрозоле огнетушащего порошка, а огнетушащий порошок выполнен в виде нанопорошка.