Способ борьбы с пожарами

 

Использование: в противопожарной технике. Сущность изобретения: способ борьбы с пожарами включает подачу в зону обработку замороженной жидкости, при этом жидкость распыляют и замораживают в потоке охлаждающегося при расширении газа. 26 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к противопожарной технике, в том числе служит для подавления подземных пожаров и самонагреваний в шахтах и рудниках.

Известен способ борьбы с пожарами, включающий подачу в зону горения инертного газа (см. а. с. 1588837, кл. E 21 F 5/00).

Недостатком способа является низкий теплосъем от очага пожара и зон повышенной температуры.

Наиболее близким техническим решением является способ борьбы с пожарами, включающий подачу в зону горения замороженной жидкости, полученной при смешивании с жидким газом (а. с. 1718981 кл. A 62 C 5/00, а. с. 17114159, кл. E 21 F 5/00).

Данный способ позволяет повысить теплосъем с очагов пожара за счет дополнительных потерь тепла на перевод частиц из твердого в жидкое состояние. Однако его недостатком является потребность в дорогостоящем и дефицитном сжиженном газе, сложном и дорогом оборудовании для его хранения и выдачи, а также низкая эффективность из-за небольшой дальности транспортирования образованной смеси.

Целью изобретения является расширение области применения способа, снижение стоимости и повышение эффективности работ при борьбе с пожарами.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу борьбы с пожарами, включающему подачу в зону обработки замерзшей жидкости, жидкость распыляют и замораживают в потоке охлаждающегося при расширении газа. Дополнительным отличием является предварительное испарение жидкости и подача в газ пара или смеси пара и жидкости. Расширение газа осуществляют в сопле, например сопле Лаваля, а пар, жидкость или их смесь вводят в поток газа в наиболее суженной части пола. Ведут контроль за температурой образующейся при расширении газа смеси и поддерживают ее ниже значения, при котором замерзают жидкость и конденсат. Контролируют и регулируют перепад давления газа при расширении. При подаче в газ жидкости перепад давления газа устанавливают по формуле: где P_н начальное давление газа, Па; P_к давление газа после расширения, Па; G_ж -расход жидкости, кг/с; G_г расход газа, кг/с; Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг; C_ж - теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К); C_г теплоемкость газа, Дж/(кг·К); T_зж температура замерзания жидкости, К; T_н - начальная температура газа, К; T_ж температура вводимой жидкости, К; K показатель адиабаты.

Перепад давления расширяющегося газа при подаче в него пара устанавливают по формуле: где G_п расход пара, кг/с; C_п теплоемкость пара, Дж/(кг·К); C_кп теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/(кг·К); Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг; Q_зкп - теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг; T_п температура пара, К; T_кп температура конденсации пара, К; T_зкп температура замерзания сконденсировавшейся жидкости, К.

Перепад давления расширяющегося при подаче в него смеси пара и жидкости устанавливают по формуле: где T_з температура замерзания жидкости и сконденсировавшегося пара, К.

Дополнительным отличием является контроль и регулирование температуры подаваемого газа. В случае подачи в газ жидкости, температуру его устанавливают по уравнению: При подаче в газ пара начальную температуру газа устанавливают по формуле:
Начальную температуру газа при подаче в него смеси пара и жидкости устанавливают по формуле:

Отличием является также контроль и регулирование соотношения расхода вводимого компонента и газа. В случае ввода в газ жидкости соотношение расхода жидкости и газа устанавливают по формуле:

Соотношение расхода пара и газа устанавливают по формуле:

В качестве газа может использоваться инертный газ, воздух или их смесь с содержанием кислорода ниже значения, поддерживающего процесс самовозгорания и горения. В качестве жидкости используют воду, составы антипирогена и/или/ хладагента, а также жидкий углекислый газ. В качестве пара можно использовать водяной пар. Дополнительно в образующуюся смесь вводят твердое вещество в виде порошка, взаимодействующего с жидкостью с поглощением теплоты и/или образованием антипирогенного состава.

Замораживание жидкости возможно газом, температура которого снижается в процессе адиабатического расширения. В ходе такого расширения измерение параметров газа происходит по формуле:

где T_к конечная температура газа, К; T_н начальная температура газа, К; P_к конечное давление газа после расширения, Па; P_н давление пара перед расширением, Па; K показатель адиабаты.

Для определения конечной температуры расширяющегося газа, необходимой для замораживания вводимой в газ жидкости, можно воспользоваться теплового баланса:
G_тC_г(T_зж-T_к)≥G_жC_ж (T_ж-T_сж)+G_жQ_зж (10)
где G_г расход газа, кг/с; G_ж расход жидкости, кг/с; C_г теплоемкость газа, Дж/(кг·К); C_ж теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К); Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг; T_ж температура замерзания жидкости, К; T_ж температура жидкости, К.

Преобразуя уравнение (10) и подставляя получаемое значение в (9), имеем следующее выражение для определения перепада давления, необходимого для замораживания жидкости расширяющимся газом:

Замораживание пара газом происходит при соблюдении условия
G_гC_г(T_зкп-T_к)≥G_п[C_п (T_п-T_кп)+C_кп(T_кп-T_зкп)+Q_кп+ Q_зкп] (12)
где G_п расход пара, кг/с; Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг; Q_зкп теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг; C_п теплоемкость пара, Дж/(кг·К); C_кп теплоемкость сконденсировавшейся жидкости, Дж/(кг·К); T_п температура пара, К; T_кп температура конденсации пара, К; T_зкп температура замерзания сконденсировавшегося пара, К.

Преобразуя (12), получаем уравнение, описывающее температуру газа, необходимую для замораживания вводимого в него пара:

Подставляя (13) в (9) и преобразуя уравнение, получим выражение, описывающее перепад давления расширяющегося газа, обеспечивающий замораживание вводимого пара:

Замораживание смеси жидкости и пара при перемешивании с газом происходит при выполнении условия:
G_гC_г(T_з-T_к)≥G_пC_п (T_п-T_кп)+G_пC_кп(T_кп-T_з)+G_п Q_кп+G_пQ_зкп+G_жC_ж(T_ж-T_з)+ G_жQ_зж, (15)
где T_з температура замораживания жидкости и пара, К.

Используя уравнение (15) для получения температуры газа, необходимой для замораживания смеси пара и жидкости (T_к), и подставляя его в (9) имеем выражения для определения необходимого перепада давления газа.

Использование уравнений (11), (14) и (16) позволяет замораживать вводимые в газ компоненты путем регулирования перепада давления расширяющегося газа в зависимости от его температуры, расхода и параметров вводимых веществ. Показатель адиабаты для двухатомных газов (воздух, азот и др.) равен 1,4. Для перегретого пара показатель адиабаты равен 1,3.

Сжатый газ намного проще и дешевле получить, чем сжиженный газ. Поэтому применение принципа замораживания жидкости в струе расширяющегося газа значительно расширит область применения данного способа борьбы с пожарами, удешевит и упростит его. Кроме того, повысится качество получаемой смеси из-за того, что происходит интенсивное перемешивание распыляемой жидкости в поток расширяющегося газа.

Наиболее эффективно температура газа снижается при адиабатическом расширении в сопле, например, сопле Лаваля. Для лучшего распыления вводимых компонентов целесообразно вводить их в наиболее суженную часть сопла. В этом случае вводимое вещество проходит весь путь расширения и лучше распыляется. Кроме того, в этом случае частицы набирают наибольшую скорость, что увеличивает дальность их транспортировки и эффективность тушения.

Подача и замораживание в газе пара позволяет существенно уменьшить размер замораживаемых частиц. Это приводит к лучшему проникновению таких частиц в различные трещины, поры и пр. а также увеличивает общую поверхность хладагента, что способствует повышению эффективности борьбы с пожарами. Использование смеси пара и жидкости позволит варьировать в широких пределах содержание замороженных частиц в газе и их размеры, что приведет к повышению охлаждающего и профилактического действия обработки. Одним из способов поддержания непрерывного замораживания вводимых частиц является контроль за температурой образующейся смеси и поддержание ее ниже значения, при котором замерзает жидкость и сконденсировавшаяся из пара жидкость.

В некоторых случаях, когда невозможно создать необходимый перепад давления, целесообразно осуществлять контроль и регулировку температуры подаваемого газа. Для получения выражения, описывающего требуемую температуру газа при вводе в него жидкости используемом уравнение (9), подставляя в него вместо T_к значение, получаемое из формулы (10). В результате получим уравнение (4), позволяющее определить температуру газа при заданном перепаде давления, необходимую для замораживания вводимой жидкости. Аналогично получаем уравнения (5) и (6), позволяющие определить температуру подаваемого газа для замораживания пара и смеси с жидкостью, используя формулу (9) и соответственно (12) и (15).

В случае невозможности регулирования в требуемых интервалах перепада давления газа и его начальной температуры осуществляют контроль и регулировку соотношения расхода вводимого компонента и газа. Для определения формулы, описывающей соотношение расхода подаваемой жидкости и газа, используем уравнение (10)

Подставляя в (17) значение T_к, получаемое из (9), имеем выражение (7), позволяющее получить соотношение расхода исходных компонентов, обеспечивающее замораживание вводимой жидкости. Аналогично получаем уравнение (8), позволяющее заморозить пар, используя формулы (12) и (9).

В качестве газа можно использовать инертный газ, воздух или их смесь с концентрацией кислорода ниже значения поддерживающего процесс самовозгорания и горения.

В качестве жидкости можно использовать воду или состав антипирогена и/или хладагента. Если в качестве жидкости использовать углекислый газ, то, охлаждаясь и расширяясь, он образует твердую фазу, которая в очаге пожара испаряется, поглощая теплоту и создавая инертную среду. Водяной пар можно использовать в качестве вводимого в газ пара, что упрощает и удешевляет способ борьбы с пожарами.

Дополнительно в образующуюся смесь можно вводить твердое вещество в виде порошка, которое может взаимодействовать в жидкостью с поглощением теплоты и/или образованием антипирогенного состава. Это позволит повысить эффективность борьбы с пожарами за счет дополнительного теплосъема, увеличения дальности транспортирования смеси и роста антипирогенного действия.

При необходимости, например, подаче смеси в выработанное пространство шахт, жидкость, пар или их смесь целесообразно вводить в газ порциями периодически. В этом случае увеличивается дальность транспортирования замерзших частиц и дополнительное замораживание продуваемого массива за счет меньшей температуры газа.

Способ реализуется следующим образом.

Для подавления возникшего пожара или предупреждения самовозгорания окисляющегося материала устанавливают сопло, которое подключают к источнику сжатого газа (компрессору, емкости газа и др.). В поток расширяющегося в сопле газа разбрызгивают жидкость, пар или их смесь. Потенциальная энергия газа при расширении переходит в кинетическую, происходит его охлаждение и замораживание введенных компонентов. С большой скоростью частицы льда и газа вылетают из сопла и направляются в очаг пожара или место обработки. Жидкость можно подавать по патрубку из емкости или трубопровода, а пар получать в парогенераторе.

устанавливают сопло в наибольшей близости от очага или места обработки, а при невозможности этого образующиеся продукты подают к объекту обработки по трубопроводу. При необходимости в образовавшиеся в сопле продукты добавляют порошок, являющийся хладагентом и/или антипирогеном. В качестве жидкости также могут использоваться составы аналогичного действия.

В установке предусмотрены приборы для контроля за расходом компонентов, перепадом давления газа и температурой входящего газа и образуемой смеси. Установка имеет также регуляторы расхода компонентов. Для регулирования температуры подаваемого газа могут использоваться холодильники, теплообменники м пр. Перепад давления газа можно регулировать подбором компрессоров и др. Образующиеся частицы льда охлаждают горящие поверхности за счет поглощения тепла на таяние, нагревание и испарение жидкости или предотвращают самовозгорание за счет антипирогенного действия жидкости, порошка и инертизации атмосферы.

Применение предложенного способа позволит повысить эффективность борьбы с пожарами за счет возможности широкого его применения, (не требует криогенных жидкостей), увеличения дальности транспортирования смеси и снижения стоимости проводимых работ. Одновременно повышается безопасность работ за счет быстрого развертывания работ. Сокращается время тушения пожаров за счет возможности резко увеличить производительность подачи требуемой смеси.

Формула изобретения

1. Способ борьбы с пожарами, включающий подачу в зону обработки замороженной жидкости, отличающийся тем, что жидкость распыляют и замораживают в потоке охлаждающегося при расширении газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость предварительно испаряют, а образующийся пар вводят в поток газа.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в пар предварительно распыляют жидкость и образующуюся смесь вводят в поток газа.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что ведут контроль за температурой образующейся при расширении газа смеси и поддерживают ее ниже значения, при котором замерзают жидкость и сконденсировавшаяся из пара жидкость.

5. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что расширение газа осуществляют в сопле, например сопле Лаваля.

6. Способ по пп.1,2,3,5, отличающийся тем, что жидкость, пар или их смесь вводят в поток газа в наиболее суженной части сопла.

7. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что осуществляют контроль и регулирование перепада давления газа при его расширении.

8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что регулирование перепада давления газа при подаче в него жидкости осуществляют по формуле

где P_н начальное давление газа, Па;
P_к давление газа после расширения, Па;
G_ж расход жидкости, кг/с;
G_г расход газа, кг/с;
Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг;
C_ж теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);
C_г теплоемкость газа, Дж/(кг·К);
T_зж температура замерзания жидкости, К;
T_н начальная температура газа, К;
T_ж температура вводимой жидкости, К;
K показатель адиабаты.

9. Способ по пп. 2 и 7, отличающийся тем, что регулирование перепада давления газа при подаче в него пара осуществляют по формуле

где G_п расход пара, кг/с;
C_п теплоемкость пара, Дж/(кг·К);
C_кп теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/(кг·К);
Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг;
Q_зкп теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг;
T_п температура пара, К;
T_кп температура конденсации пара, К;
T_зкп температура замерзания сконденсировавшейся жидкости, К.

10. Способ по пп. 3 и 7, отличающийся тем, что соотношение перепада давления газа при подаче в него смеси пара и жидкости устанавливают по уравнению

11. Способ по пп. 1 -3, отличающийся тем, что осуществляют контроль и регулирование температуры подаваемого газа.

12. Способ по пп.1 и 11, отличающийся тем, что температуру подаваемого газа при распылении в него жидкости устанавливают по соотношению

13. Способ по пп.2 и 11, отличающийся тем, что температуру подаваемого газа при распылении в него пара устанавливают по соотношению

14. Способ по пп.3 и 11, отличающийся тем, что температуру подаваемого газа при распылении в него пара и жидкости устанавливают по формуле

15. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осуществляют контроль и регулирование соотношения расхода вводимого компонента и газа.

16. Способ по пп. 1 и 15, отличающийся тем, что соотношение расхода вводимой жидкости и газа определяют по формуле

17. Способ по пп. 2 и 15, отличающийся тем, что соотношение вводимого пара и газа устанавливают по формуле

18. Способ по пп.1-17, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертный газ.

19. Способ по пп.1 17, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух.

20. Способ по пп.1 17, отличающийся тем, что в качестве газа используют смесь воздуха и инертного газа с концентрацией кислорода ниже значения, поддерживающего процессы самовозгорания и горения.

21. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду.

22. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют состав антипирогена и(или) хладагента.

23. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют углекислый газ.

24. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что в качестве пара используют водяной пар.

25. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что в образующуюся смесь дополнительно вводят твердое вещество в виде порошка.

26. Способ по пп.1 3, 25, отличающийся тем, что вводимый порошок взаимодействует с жидкостью с поглощением теплоты и(или) образованием антипирогенного состава.

27. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что жидкость, пар или их смесь вводят в охлаждающийся при расширении газ порциями периодически.