Противопожарная защита

Изобретение относится к области создания теплозащитных конструкций для защиты от воздействия пожара различных объектов. Противопожарная защита представляет собой кожух в виде удлиненной металлической емкости, заполненной наполнителем в виде множественных капсул, каждая из которых представляет собой герметичный корпус из теплопроводящего материала, внутри него установлена трубка, ось которой проходит через геометрический центр капсулы. В объеме между корпусом и стенкой трубки размещен наполнитель в виде рабочего вещества с температурой кипения ниже критической температуры защищаемого объекта, в стенке трубки выполнено не менее одного жиклера таким образом, что его ось проходит через геометрический центр корпуса капсулы, при этом жиклеры сообщены с отверстиями, выполненными на удлиненной металлической емкости. Металлическая удлиненная емкость и капсулы в сечении выполнены любой формы, отверстия на емкости закрыты технологическими заглушками или легкоплавким материалом. Рабочее вещество выбрано из двух и/или более компонентов с различными температурами фазовых переходов, которые изначально находятся в одном или разных фазовых состояниях, например жидкость - твердое вещество. Поверхность емкости может быть выполнена полированной или зеркальной. Технический результат: обеспечение высоких значений температурного перепада между внешней средой теплового воздействия и температурой защищаемого объекта в течение длительного, многочасового теплового воздействия и в процессе остывания с обеспечением минимальных значений массы и габаритов противопожарной защиты, работоспособной после кантования и механических аварийных воздействий. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области создания теплозащитных конструкций для защиты от воздействия пожара различных объектов, пожаро- и взрывоопасных грузов, материальных ценностей, документов, носителей информации, денег и т.п.

Изобретение может быть использовано в различных областях промышленности, например в атомной, авиационной, автомобильной, космической, ракетной, в средствах индивидуальной защиты человека, для повышения стойкости теплозащитных конструкций к пожару и другим видам высокоинтенсивных и длительных тепловых воздействий.

Известен теплозащитный корпус (заявка ФРГ №OS 3432789 от 11.04.1985 г.), состоящий из двух теплоизоляторов. Первый теплоизолятор изготовлен из твердого вещества, сохраняющего свое состояние при пожаре. Второй теплоизолятор внутри себя имеет полость для размещения защищаемого изделия. При определенной температуре второй теплоизолятор переходит из твердого состояния в жидкое. Температура фазового перехода подобрана таким образом, чтобы второй теплоизолятор оставался в твердом состоянии до тех пор, пока на корпус не воздействует повышенная температура. Недостатком такой конструкции является быстрая утечка жидкости из теплозащитного корпуса при наличии повреждений или механическое разрушение теплозащитного корпуса за счет повышения в нем давления при повышении температуры, что не гарантирует надежную защиту объекта от длительного воздействия пожара.

Известен теплозащитный контейнер (патент США №3709169 от 11.02.1968, опубл. 09.01.1979). Внутри него имеется теплозащита, состоящая из наружного слоя теплостойкого материала, например керамического волокна, и внутреннего слоя абсорбирующего материала, например стеклянной бумаги, насыщенной водой. Внутренний слой помещен в водонепроницаемый кожух, например, из полиэтилена, который разрушается при воздействии повышенных температур и обеспечивает выход водяного пара для поглощения им тепла. Недостатками такой теплозащиты являются:

- низкое значение прочности внутреннего слоя из абсорбирующего материала и возможность его разгерметизации, деформации и повреждений при ударах, падениях, прострелах;

- низкое значение процента насыщения абсорбирующего материала водой;

- передача большого количества тепла к защищаемому объекту вследствие длительного времени прогрева абсорбирующего материала до температуры фазового перехода воды и начала парообразования;

- возможность быстрой утечки конденсированной влаги через повреждения в водонепроницаемом кожухе и по направлению сил гравитации;

- ограниченное время процесса парообразования и отвода тепла, вследствие малого количества воды и ее утечки после разгерметизации. Все это снижает надежность защиты объектов от высоких температур, например пожара.

Известен защищенный от пожара сейф (заявка Великобритании №2168402 14.12.1984, опубл. 18.06.1986). Сейф имеет наружный кожух, внутреннюю облицовку и промежуточный изоляционный слой из стойкого и огнеупорного материала. Внутренняя облицовка имеет наполнитель из материала, изменяющего фазовое состояние при тепловых воздействиях, например из парафина, обладающего свойством поглощать тепло.

Недостатками устройства являются:

- пониженные теплозащитные свойства в течение длительного времени до начала фазового перехода, а также при механическом повреждении и вытекании расплавленного парафина по направлению сил гравитации;

- в конструкции отсутствуют элементы, отводящие тепло наружу от материала, поглотившего его при нагреве в результате фазового перехода, при этом возможна закачка тепла внутрь сейфа при его остывании, что является опасным для защищаемого объекта (взрывоопасного изделия);

- возможность механического разрушения теплозащиты сейфа вследствие роста внутреннего давления при фазовых переходах (испарении наполнителя).

За прототип принято вышеописанное устройство.

Технической задачей заявляемой противопожарной защиты является создание теплозащиты, надежно защищающей пожароопасные объекты от длительных тепловых и пожарных воздействий.

Технический результат выражается в обеспечении высоких значений температурного перепада между внешней средой теплового воздействия и температурой защищаемого объекта в течение длительного, многочасового пожара и в процессе остывания защиты, находящейся в любом произвольном положении относительно действия гравитационных сил, с обеспечением минимальных значений массы и габаритов противопожарной защиты.

Технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве противопожарной защиты, содержащей кожух и размещенный в нем наполнитель, изменяющий свое фазовое состояние под действием температуры, кожух выполнен в виде удлиненной металлической емкости, а наполнитель в виде множественных капсул, каждая из которых представляет собой герметичный корпус из теплопроводящего материала, внутри него установлена трубка таким образом, что ее ось проходит через геометрический центр капсулы. В объеме между корпусом капсулы и стенкой трубки размещен наполнитель в виде рабочего вещества с температурой кипения ниже критической температуры защищаемого объекта. В стенке трубки выполнено не менее одного жиклера таким образом, что ось жиклера проходит через геометрический центр корпуса капсулы, при этом жиклеры сообщены с отверстиями, выполненными на удлиненной металлической емкости для выхода пара. Металлическая емкость (кожух) и капсулы в сечении могут быть выполнены любой формы, а отверстия в кожухе закрыты технологическими заглушками или легкоплавким материалом (припоем).

Рабочее вещество в капсулах выбирается из одного двух и (или) более компонентов с различными температурами фазовых переходов (кипения), которые изначально находятся в одном или разных фазовых состояниях, например жидкость - твердое вещество.

Выполнение кожуха в виде металлической удлиненной емкости, например в виде сферического или цилиндрического слоя, внутри которого размещается защищаемое изделие, позволяет передать тепло от пожара к капсулам для быстрого прогрева наполнителя, изменяющего свое фазовое состояние, и отбора тепла. Теплопроводность металлической емкости и капсул обеспечивает также и обратную передачу тепла от нагретого в пожаре кожуха наружу после прекращения пожара и остывания противопожарной защиты.

Применение внутри кожуха большого количества герметичных капсул из теплопроводящего материала позволяет быстро и равномерно прогревать капсулы с наполнителем и отбирать тепло по всей поверхности удлиненной металлической емкости, не пропуская его к защищаемому изделию. Все это сокращает время ввода в действие процесса парообразования и увеличивает безопасное время нахождения объекта защиты при температурных воздействиях.

Установка внутри капсулы трубки с жиклером, ось которого проходит через геометрический центр капсулы, исключает утечку жидкого наполнителя из капсул при любом положении капсул и кожуха относительно направления сил гравитации. При аварийных наклонах, вращении теплозащитного кожуха наполнитель, размещенный в объеме между корпусом капсулы и стенкой трубки, перемещаясь внутри этого объема, не будет выливаться через жиклер за счет того, что он размещается в зоне геометрического центра капсулы. В то же время жиклеры в трубке обеспечивают дозированный выход пара из каждой капсулы при кипении наполнителя, что исключает разрушение капсул за счет внутреннего давления.

Отверстия в удлиненной емкости (кожухе) сообщены с трубками (жиклерами) капсул для выхода паровых струй из кожуха, что обеспечивает отвод тепла от защищаемого изделия и снижает коэффициент теплообмена внешней среды пожара с кожухом противопожарной защиты.

Для исключения засорения внутренних полостей кожуха в процессе его эксплуатации отверстия закрываются технологическими заглушками или легкоплавким материалом (пленкой), автоматически открывающими отверстия при тепловых воздействиях. Такую же эксплуатационную герметизацию могут иметь и жиклеры (трубки) капсул.

Применение многокомпонентных наполнителей с различными температурами фазовых переходов и кипения позволяет поочередно вводить их в действие и перерабатывать в пар в зависимости от интенсивности пожара и его длительности. Это позволяет снизить удельный расход наполнителя на единицу времени действия пожара, что обеспечивает автоматическое функционирование противопожарной защиты при длительных многочасовых пожарах.

Варьируя соотношением характеристик наполнителей и их исходных состояний внутри одной капсулы или между различными рядами капсул, обеспечиваются требуемые значения времени функционирования противопожарной защиты и пороговое значение температуры на защищаемом объекте при длительных пожарах.

Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает надежную защиту объекта от длительных высокоинтенсивных пожаров.

На фиг.1 показан общий вид противопожарной защиты, где:

1 - кожух в виде удлиненной металлической емкости;

2 - капсула с наполнителем;

3 - твердый наполнитель:

4 - жидкий наполнитель;

5 - защищаемый объект;

6 - внутренняя оболочка:

7 - наружная оболочка;

8 - паровыводящая трубка;

9 - жиклеры;

10 - отверстия в кожухе;

11 - зеркальное жаростойкое покрытие;

12 - пористая низкотемпературная теплоизоляция.

На фиг.2 показаны графики изменений температуры на защищаемом объекте, где:

13 - температура внешней среды при пожаре:

14 - температура на защищаемом объекте при известной теплоизоляции на основе минеральных волокон;

15 - температура на объекте, защищенном предлагаемой противопожарной защитой;

τ₁,τ₂ - температуры фазовых переходов (плавления, кипения) компонентов наполнителя капсул.

На фиг.3 приведена схема снижения коэффициента теплообмена противопожарной защиты с внешней средой пожара, где:

16 - тепловой поток пожара;

17 - паровые струи;

18 - паротепловая струйно-аэродинамическая завеса.

Т_ср - среднеобъемная температура пожара;

Т_пз - температура наружной поверхности противопожарной защиты.

Примером конкретного выполнения может служить противопожарная защита (фиг.1), содержащая кожух в виде удлиненной металлической емкости 1, внутри которой размещены капсулы 2 с твердым наполнителем 3 и незамерзающим водным раствором 4. Удлиненная емкость с капсулами может иметь форму длинной медной или алюминиевой трубки, намотанной вокруг защищаемого объекта 5, или выполняться в виде сферического (цилиндрического) слоя или плоских панелей из внутренней 6 и наружной 7 оболочек, размещаемых вокруг объекта 5. Капсулы 2 выполняются металлическими в виде сферы, цилиндра, куба, параллелепипеда, через геометрический центр которых проходит тонкая трубка 8, которая герметично впаяна (вварена) в капсулу. Внутренний объем каждой капсулы примерно наполовину заполнен наполнителем (твердым, жидким или их комбинацией). В зоне геометрического центра капсулы в трубке выполнен один или несколько жиклеров 9 для выхода пара из капсулы в трубку и далее в удлиненную емкость. При изготовлении противопожарной защиты в виде плоских панелей (щитов) они размещаются вокруг защищаемого объекта (например, по поверхностям куба). Такая схема тепловой защиты может применяться в сейфах, вагонах, автомобилях. Поверхности панели (удлиненной емкости с капсулами), обращенные к тепловому потоку пожара, выполняются полированными (зеркальными) для отражения тепла и уменьшения коэффициента теплообмена внешней среды с элементами противопожарной защиты.

Работает устройство следующим образом.

При эксплуатации противопожарной защиты в составе сейфов, контейнеров, автомобилей, вагонов, самолетов и т.д. наполнители (твердые и жидкие) сохраняются в капсулах независимо от кантования, переворачивания, вибраций и ускорений разгона-торможения.

В случае аварий (переворачивания, удара) и последующего пожара противопожарная защита нагревается, в результате чего наполнитель подвергается фазовым переходам, включая кипение и испарение его компонентов. Пар из капсул выходит через жиклеры 9 в трубки 8 и затем собирается внутри удлиненной емкости, отбирая от нее тепло. Отверстия 10 в наружной оболочке 7 при воздействии пожара автоматически разгерметизируются (расплавляются) и пар выходит через них наружу в виде струй, направленных под разными углами к поверхности противопожарной защиты. В результате этого вокруг нее создается паротепловая струйно-аэродинамическая завеса, препятствующая интенсивной передаче тепла от внешней среды пожара к наружной оболочке 7 противопожарной защиты.

В капсулах вначале испаряется наполнитель, обладающий минимальной температурой закипания τ₁ (см. фиг.2).

После того как он израсходуется, вступает в действие второй компонент наполнителя, имеющий более высокую температуру кипения (см.τ₂, фиг.2). До тех пор пока последовательно не испарятся все компоненты наполнителя, температура внутренней оболочки 6 и защищаемого объекта будет сохраняться на уровне, определяемом температурами фазовых переходов (кипения) наполнителя (см. фиг.2). Известные малогабаритные теплозащитные конструкции на основе минеральных волокон (типа базальта) или других пористых теплоизоляторов при длительных интенсивных пожарах (Т>1000°С, τ>2...3 часа) не обеспечивают такого перепада температур. Длительность эффективного функционирования заявляемой противопожарной защиты зависит в основном от типа и количества наполнителя, закладываемого в конструкцию, и параметров дозирующих жиклеров.

Необходимо отметить, что устройство обеспечивает автоматическое регулирование темпа охлаждения защищаемого объекта. С увеличением интенсивности пожара более интенсивно выделяется пар, возрастают скорости и длины струй, соответственно увеличивается отбор тепла и темп охлаждения защищаемого объекта. При малоинтенсивном, но длительном пожаре эти процессы замедляются, снижая удельный расход наполнителя.

Противопожарная защита может найти применение в авиационных «черных ящиках», сейфах, контейнерах в различных областях техники, хранилищах, на транспорте, где требуется защитить особо ценные или пожаровзрывоопасные изделия от разрушающего действия высоких температур, особенно при длительных пожарах.

1. Противопожарная защита, содержащая кожух и размещенный в нем наполнитель, изменяющий свое фазовое состояние под действием температуры, отличающаяся тем, что кожух выполнен в виде удлиненной металлической емкости, а наполнитель - в виде множественных капсул, представляющих собой герметичный корпус из теплопроводящего материала, внутри него установлена трубка, ось которой проходит через геометрический центр корпуса капсулы, в объеме между корпусом и стенкой трубки размещен наполнитель в виде рабочего вещества с температурой кипения ниже критической температуры защищаемого объекта, в стенке трубки выполнено не менее одного жиклера, таким образом, что ось жиклера проходит через геометрический центр корпуса капсулы, при этом жиклеры сообщены с отверстиями, выполненными на удлиненной металлической емкости для выхода пара.

2. Противопожарная защита по п.1, отличающаяся тем, что металлическая удлиненная емкость и капсулы в сечении выполнены любой формы.

3. Противопожарная защита по п.1, отличающаяся тем, что отверстия на металлической удлиненной емкости выполнены под разными углами и закрыты технологическими заглушками или легкоплавким материалом, например припоем.

4. Противопожарная защита по п.1, отличающаяся тем, что наполнитель выбран из двух и/или более компонентов с различными температурами фазовых переходов, которые изначально находятся в одном или разных фазовых состояниях, например жидкость - твердое вещество.

5. Противопожарная защита по п.1, отличающаяся тем, что поверхности удлиненной металлической емкости выполнены полированными или зеркальными.