Способ тушения пожаров

 

Изобретение относится к противопожарной технике. Способ тушения пожаров отличается от известных тем, что в качестве гасящего вещества подают гранулированные до одинаковых размеров частиц материалы со сплошной или пористой структурой, а размеры частиц принимают из расчета зависания, или взвешивания их в восходящем потоке газов подавляемого очага горения.

Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к способам подавления и гашения сильных пожаров, например повальных лесных пожаров, горящих факелов нефти или газа и др.

Сильные пожары, несмотря на случайность их возникновения, являются не редким бедствием, наносящим тяжелейший ущерб природе и обществу. Борьба с ними весьма затруднена из-за недостаточности и неэффективности применяемых огнегасящих материалов, а также из-за трудности доставки этих материалов к очагам горения. Большинство гасящих материалов в процессе тушения огня удаляется из зоны горения не полностью использованными, падая на землю, как струи воды, или уносясь потоком газов, как капли воды. Но главной проблемой тушения сильных пожаров является трудность подачи гасящих материалов в количествах, требуемых для поглощения тепловой мощности огня.

Известен способ тушения пожаров [1], заключающийся в том, что в зону горения подают распыленную воду, отличающийся тем, что воду перед подачей нагревают и нагревание ведут до 90-100^oC. По этому способу авторы уменьшают унос капель из зоны горения, сохраняя теплопоглощение воды при ее испарении.

Известен также способ тушения пожаров [2], заключающийся в подаче на пламя воды и добавки, образующей изолирующее вязкое покрытие, отличающийся тем, что в качестве добавки используют этиленмалеиновый ангидрид. Недостатком этого способа также является унос изолирующей добавки до попадания на горящую поверхность.

Известен способ тушения пожара [3], по которому в очаг пожара подают диспергированный поток огнетушащего порошка. При этом способе огнегасящий порошок также уносится из очага горения восходящим потоком газов.

Известен также способ тушения горящих фонтанов [4], включающий подачу в нижнюю часть фонтана порошкового состава, а перед этим подают жидкий азот под срез фронта пламени. И в этом случае гасящие материалы, азот и порошковый состав уносятся из зоны горения без остатка.

Известен также способ тушения пожаров на газовых и нефтяных скважинах [5] , включающий подачу огнетушащего состава, например кварцевого песка, в факел пламени с массой, определеямой из заявляемых авторами соотношений.

Указанный способ принят за прототип предлагаемого.

По известному способу в одном из соотношений определяется минимальная концентрация гасящего состава в факеле пламени, которая рассчитывается из условия теплового баланса выделяемой и поглощаемой энергии. Это условие требует значительного расхода гасящего состава. Но этот расход должен быть еще больше увеличен на величину, учитывающую неэффективность использования гасящего состава, например, от непопадания его в зону горения. Кроме того, этот расход постоянно уносится из зоны горения, поэтому требуется неокторое время поддерживать его до полного прекращения горения. Это может потребовать увеличения секундного расхода гасящего вещества еще в несколько раз.

Таким образом, анализ показывает что рассмотренный способ, расчитанный на поглощение всей тепловой мощности зоны горения, крайне неэкономичен.

По предлагаемому способу тушения пожаров, преимущественно сильных, создающих очаги горения с восходящими потоками горячих газов, также, как и по известному способу, в очаги горения подают огнестойкое гасящее вещество.

В отличие от известного способа по предлагаемому способу в качестве гасящего вещества подают гранулированные до одинаковых размеров частиц материалы со сплошной или пористой структурой, а размеры частиц принимают из расчета зависания или взвешивания их в восходящем потоке газов подавляемого очага горения. В предложенном способе тушения пожаров используются особенности механизма свободного горения горючих материалов.

Тепловая мощность открытого очага горения зависит от расхода воздуха, поступающего в зону горения. При увеличении притока воздуха увеличивается тепловая мощность очага, усиливается и возрастает восходящий поток горячих газов. Это увеличивает разряжение в зоне горения, что, в свою очередь, вызывает дополнительный приток воздуха из окружающей атмосферы и соответственно увеличивает тепловую мощность очага горения. Этот процесс разгорания развивается прогрессивно до тех пор, пока не будет захвачена пламенем вся поверхность горения и дополнительный приток воздуха не приведет к повышению тепловой мощности из-за ограниченности горючего материала. На этом уровне мощность очага стабилизируется и сохраняется до выгорания горючего.

По предложенному способу огнегасящий состав используется, в первую очередь, для подавления тяги, развиваемой пламенем, а не на тепелопоглощения выделяемой энергии. Для снижения тяги восходящего потока в него подают огнестойкий материал в виде частиц одинакового размера, рассчитанных на взвешивание в восходящем потоке горячих газов. Для каждого размера частиц известна так называемая конечная скорость оседания. При этой скорости частица зависает или взвешивается в восходящем потоке и при этом создает сопротивление потоку. Взвешивание слоя из нескольких одинаковых частиц госящего материала вызыввает перепад давления в потоке, равный массе частиц, отнесенной к площади сечения потока. Таким образом, подавая в восходящий поток твердые огнегасящие частицы, можно уменьшить развиваемую потоком тягу. Это приведет к падению мощности горения и соответственно к снижению начальной скорости газов в нижней части восходящего потока. Скорость газов по высоте потока снижается из-за разбавления воздухом и снижения температуры. Поэтому при уменьшении скоростей газа в потоке слой твердых частиц опускается ниже и уменьшает авысоту потока горячих газов и создаваемую ими тягу.

При добавлении в поток твердых частиц в итоге они достигают поверхности горения и, загромождая пространство, еще больше затрудняют доступ воздуха к горючим материалам. В этот момент мощность очага горения снижается настолько, что окончательное его гашение становится возможным обычными средствами. При плоской поверхности горючих материалов выпаденние на ней твердых частиц блокирует доступ воздуха настолько, что не требуется других средств гашения. При объемной поверхности горения в зону горения следует подавать твердые частицы меньшего размера, которые, циркулируя в зоне горения, затрудняют приток воздуха к горючим материалам. При снижении температуры воспламенения горение прекращается.

Частицы огнегасящего состава могут выйти из восходящего потока, но, опускаясь вниз, они попадают в горизонтальный поток воздуха, который увлекает их вновь в восходящий поток. В восходящем потоке частицы выносятся опять на ту высоту, где скорость потока равна конечной скорости оседания этих частиц. Таким образом, при циркуляции частиц они не удаляются из зоны горения, а при подаче в нее дополнительных частиц догружают поток, уменьшая его тягу и ускоряя тушение пожара.

Частицы твердого огнегасительного состава ТОС могут быть выполнены из различных материалов: песка, стекла, обожженой глины, керамики, металлов и других. При этом они могут иметь сплошную или пористую структуру, а в последнем случае - различную степень пористости. Во всех случаях они характеризуются объемной плотностью частиц, которая для пористых материалов не совпадает с плотностью материала. Так, широко известны так называемые твердопенные материалы: пеностекло, пеношлаки, пеноалюминий и другие.

Несмотря на различие в плотности, все виды ТОС имеют одинаковую массовую эффективность. То есть одна и та же масса любого ТОС создает одинаковое сопротивление восходящему потоку в виде перепада давлений в потоке на слое ТОС, равного массе слоя, отнесенной к площади сечения потока. Это существенно облегчает рассчет необходимого количества ТОС. Тем не менее по ряду других свойств пористые частицы ТОС имеют преимущество при тушении огня. Так, благодаря меньшей плотности они лучше загромождают объем как в восходящем потоке, так и в очаге горения, а также и над поверхностью горения. Кроме того, пористые частицы имеют большее аэродинамическое сопротивление и благодаря этому легче подчиняются потокам газов и воздуха при описанной циркуляции в зоне горения.

Для подачи частиц ТОС в зону горения могут быть использованы различные известные способы: выбросом с напорной струей воды, подачей с горизонтальным напорным или эжектируемым потоком газа или воздуха, метанием пороховыми газами из ствола метательной установки и др. Возможна также подача ТОС в зону горения путем размещения массы ТОС на пути огня перед фронтом пожара. При подаче струей воды пористых частиц ТОС обнаруживаются дополнительные полезные эффекты: увеличивается дальнобойность частиц из-за их утяжеления водой, обеспечивается доставка их вместе с запасом воды в нижние зоны горения, а по мере испарения воды постепенный подъем частиц в восходящем потоке до уровня зависания. При этом утяжеленные водой частицы создают большее сопротивление потоку газов.

Для пояснения предложенного способа тушения пожаров ниже приводятся примеры.

Пример 1. Лесной пожар при плотности горючих материалов в лесу 10 кг/м² и скорости выгорания 0,15 м/с вызвал образование крупного очага горения с расходом горючих материалов 20 кг/с и тепловой мощностью 400 МВт. При полном сгорании горючего очаг образует 140 кг/с горячих газов с температурой 900^oC и плотностью 0,284 кг/м³. При удельной скорости выгорания 1,5 кг/м²с площадь очага горения составляет 13,4 м². Восходящий поток газов имеет форму расширяющегося вверх конуса с радиусом меньшего основания R₁ = 2,06 м и начальной скоростью газов V₁ = 36,7 м/с.

Высота восходящего потока F, и подъем струи Δh определяются по уравнениям Бриггса (см. [1], стр. 457): F = gV_sR²_s[(T_s-T_a)/T_s] где V_s, R_s и T_s - соответственно средние скорости, радиус потока и температуры газов, а T_a - температура окружающего воздуха.

Принимая V_sR²_s = V₁R²₁, T_s = 736 K, T_a = 300 K, находим F = 905 м.

При скорости ветра U = 0,5 м/с подъем струи восходящего потока составит: Δh = 1,6 F^1/3U^-1 = 30,4 м.

При средней по температуре плотности газов в восходящем потоке γ_s = 0,45 кг/м³ перепад давлений Δp в потоке составит: Δp = Δh(γ_a-γ_s) = 19,8 кг/м² , где γ_a = плотность окружающего воздуха, равная 1,11 кг/м³.

Для подавления очага горения в восходящий поток струей воды подают гасящее вещество в виде песка с плотностью 1,7 г/см³ с расчетом на зависание его над очагом горения на высоте подавления 10 м. Средняя скорость газов на уровне подавления составляет 24,5 м/с.

Диаметр частиц песка находят, используя формулу для определения конечной скорости соединения (см. [2], с. 181): u_t= (ρ_o-ρ_g)gd²_p/18μ_g где ρ_p и d_р - плотность и диаметр частиц, ρ_g и μ_g - плотность и вязкость газа.

Из уравнения находят размер частиц d_p = 1,05 мм.

Для подавления тяги восходящего потока в него подают массу песка M, равную перепаду давления в потоке: M = F_s·Δp = 265 кг Слой песка устанавливается на уровне подавления, выше которого давление сравнивается с атмосферным и тяга, развиваемая потоком, гасится. С падением тяги уменьшается приток воздуха к очагу горения и резко снижает тепловая мощность очага горения. В этом состоянии тушение очага возможно обычными средствами, например водой. Песок выпадает на горящую поверхность и дополнительно подавляет источник пламени - тлеющие угли.

Пример 2. При воспламенении открытого фонта природного газа - метана с дебитом 10 млн·м³ в сутки горение происходит со значительным (до 20%) недостатком воздуха, требуемого для полного сгорания газа. Таким образом, мощность очага горения составляет 3,1 ГВт, а расход горячих газов - 1243 кг/с.

Струя газа, выход из скважины под высоким давлением, расширяется при сверхзвуковом истечении в атмосферу. На высоте 20 - 30 м над землей течение газа в прямом скачке переходит в дозвуковое, а за скачком устанавливается основной очаг горения. Температура в факеле огня не превышает 1600^oC, но разрежение, создаваемое в очаге горения, вызывает основной поток воздуха. После сгорания газа образуется восходящий поток продуктов сгорания при плотности 0,183 м³/с. Высота восходящего потока F, определяемая по уравнениям Бриггса при средней температуре газов T_s = 1073 К, составляет 15300 м. С учетом наименьшей скорости ветра, равной 0,2 м/с, подъем струи восходящего потока составит 200 м.

При средней плотности газов в восходящем потоке γ_s = 0,318 кг/м³ перепад давления в потоке составит 158 кг/м². Средняя скорость газов в восходящем потоке составит V_s = 98,5 м/с, площадь сечения потока на этом уровне составит 40 м², а диаметр его 7,1 м.

Уровень подавления огня принимают в непосредственной близости от факела пламени - на высоте 20 м над очагом горения. При полной высоте восходящего потока 200 м можно пренебречь расширением потока и снижением температуры газа на высоте подавления. С учетом этих допущений определяется скорость газа на уровне подавления, равная 170 м/с. Для подавления пожара в качестве гасящего вещества выбирают сферические гранулы из обоженной глины с удельным весом 2,0 г/см³. Диаметр гранул, рассчитанный по условию зависания частиц в потоке, составит 2,6 мм.

Полная тяга восходящего потока составит 6,3 т. Для подавления в восходящий поток на любой его высоте подают в струе воды гранулы гасящего материала, которые в итоге собираются на уровне подавления.

При накоплении в потоке массы гранул, равной 1,5 т, тяга потока уменьшается на эту величину. В результате этого уменьшается приток воздуха в очаг горения, тепловая мощность очага, температура и скорость газа в восходящем потоке. Масса гранул опускается ниже и еще больше подавляет тягу потока. В итоге гранулы собираются в очаге горения и зависают в зоне прямого скачка газа. Гранулы загромождают объем горящего газа и затрудняют доступ воздуха в ядро очага. При увеличении массы гранул в очаге горения до 2 - 2,5 т мощность очага горения и тяга подают многократно (до 50 - 100 МВт) и ослабевший огонь гасят струями воды. После подавления пламени приступают к ликвидации открытого выброса газа.

Пример 3. При тушении пожара, описанного в примере 2, применяют в качестве гасящего материала пористые гранулы шлаковой пемзы с удельным весом 0,8 г/см³. Гранулы подают струей воды на тот же уровень подавления 20 м над очагом горения. Диаметр гранул, зависающих на этом уровне, составляет ≈ 4 мм. При одинаковой общей массе пористые гранулы гасят пожар лучше, чем плотные, т.к. они больше загромождают объем в очаге горения и при выпадении из потока быстрее возвращаются в него благодаря меньшему отстаиванию от переносящих гранулы струй поступающего в очаг воздуха.

Поскольку в открытом потоке газа перед очагом горения скорость близка к звуковой, равной для метана 450 м/с, размеры гранул могут быть увеличены намного больше до 6 - 8 мм. При этом вся масса гранул будет собираться в очаге горения, еще больше загромождая доступ воздуха к еще невоспламенившемуся газу.

При местном воспламенении газа и повышении скорости в очаге горения ближайшие гранулы увлекаются потоком и зависают над ним, подавляя случайное усиление пожара. Ослабленный очаг горения гасят струями воды до полного исчезновения пламени. После этого остывшие гранулы устанавливаются в потоке газа на уровне зависания или выпадают на землю из-за ослабления воздушных потоков, эжектируемых струей газа.

Предложенный способ тушения пожаров может быть применен для различных по виду и мощности пожаров со свободным восходящим потоком газов.

Вместе с тем предложенный способ может быть использован при различных известных способах подачи гасящего гранулированного материала в очаг горения, в том числе с напорной струей воды, с потоком инертного газа, в разрушаемой оболочке снаряда, выстреливаемого в зону горения, сбарасыванием с вертолета и др. Возможным способом подачи гранул в зону горения является размешение гранулированного материала на заградительной полосе перед фронтом огня. При воспламенении горючих материалов гранулы увлекаются восходящим потоком и зависают в нем над очагом горения, подавляя тягу потока и тепловую мощность очага горения.

Предложенный способ применим и для тушения закрытых пожаров, где формируются восходящие потоки горячих газов. Это могут быть высотные здания с потоками в лифтовых колодцах или с лестничных пролетах. Восходящие потоки при пожарах формируются также в шахтных стволах, в вентиляционных каналах промышленных зданий или в объемах элеваторов.

Источники информации
1. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Под ред. С.Калверта и др. ч.2, М.: Металлургия, 1988.

2. то же, ч. 1.

Формула изобретения

Способ тушения пожаров, преимущественно сильных, создающих очаги горения с восходящими потоками горячих газов, по которому в очаг горения подают огнестойкое гасящее вещество, отличающийся тем, что в качестве гасящего вещества подают гранулирвоанные до одинаковых размеров частиц материалы со сплошной или пористой структурой, а размеры частиц принимают из расчета зависания или взвешивания их в восходящем потоке газов подавляемого очага горения.