Разработка Концепции
advertisement
Представляет: Дэвид Эткинсон BSc. Chem. Eng. Автор изобретения и Директор по Развитию Бизнеса Разработка Концепции • В обычных жилых зданиях, как правило, не имеется спринклерной системы активной противопожарной защиты. В 2012 году в одной только Великобритании в результате пожаров в жилых зданиях погибло около 800 человек. • В подавляющем большинстве жилых помещений, в Великобритании и во многих странах мира, нет никаких средств защиты от пожара. • В то же время, в большинстве жилых помещений, во всем мире, имеются трубная система отопления и водопроводы. Разработка Концепции Система хранения холодной воды Питающий и расширительный резервуар Вентиляционная труба без дефлектора Подача холодной воды Первичный поток Насос Подача холодной воды Клапан Открытая система хранения Холодная вода для хозяйственных нужд Смешанный поток Котел Обратная подача Обратный смешанный поток Центральный отопительный поток Разработка Концепции • Трубная система отопления обычно называется центральной отопительной системой (ЦОС). • В качестве теплоносителя в данной системе обычно используется жидкость, как правило вода, которая подается, прямо или косвенно, от главной трубопроводной системы. • В отопительных батареях также обычно содержится некоторое количество воды, объем которой зависит от количества тепла, необходимого для обогрева помещения, в котором они находятся. В среднем объем содержимой воды составляет 11 литров. Разработка Концепции • Итак. Рассмотрим как выглядит система хозяйственной бытовой канализации. • Обычно имеется 2 насоса. Один подает воду к центральной отопительной системе, другой - к водопроводу. 2 х 100% • Обратные клапаны не используются, поэтому поток подается непрерывно. • Возможна резервная подача от резервуара хранения и расширительного резервуара. • Возможна резервная подача от батарей выше находящихся комнат. • Постоянно имеется запас воды в отопительных батареях в комнате. • Данное количество воды более, чем достаточно, согласно требованиям, установленным для систем противопожарной защиты в стандартах NFPA, PFEER, SI 611. • То есть, имеется достаточно воды и более, чем достаточная промышленная установка. Разработка Концепции • Что же происходит при бытовом пожаре? • Согласно данным Гейтерсбергского Национального Института Стандартов и Технологий департамента торговли США (MD 20899), По результатам полномасштабных пожарных испытаний, проведенных для InterFIRE VR 6 мая 1998 года, • Необходимо учесть следующие факты: • Горючим веществом при проведении испытаний на воспламеняемость является домашняя меблировка и жидкий катализатор (топливо для двухтактного двигателя 1,0 Литр) • Испытания проводились в двухэтажном доме на одну семью. • Во время испытаний все двери были закрыты. • Температура измерялась с помощью установленных в стратегически важных точках термопар точностью плюс/минус 7 0C. Разработка Концепции • Результаты Таблица 1. Точки расположения термопар в гостинной и столовой комнатах Номер термопары Расстояние от пола в метрах Расстояние от пола в метрах Источник: Национальный Институт Стандартов и Технологий (Гейтерсберг) департамента торговли США (MD 20899), Полномасштабные пожарные испытания, проведенные для InterFIRE VR 6 мая 1998 года Разработка Концепции • Типовое меблированное помещение, используемое для проведения испытаний СТОЛ И СТУЛЬЯ В СТОЛОВОЙ СТОЛ И СТУЛЬЯ В КУХНЕ КРЕСЛО СТОЛ С ЛАМПОЙ ДИВАН СТОЛ ПЕРЕНОСНОЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ ЖУРНАЛЬНЫЙ СТОЛИК КАМИН ТЕЛЕВИЗОР КРЕСЛО СТОЛ С ЛАМПОЙ Источник: Национальный Институт Стандартов и Технологий (Гейтерсберг) департамента торговли США (MD 20899), Полномасштабные пожарные испытания, проведенные для InterFIRE VR 6 мая 1998 года Разработка Концепции Температура (°F) Температура (°C) • Местоположение термопар в гостиной и значения температуры Время (сек.) Источник: Национальный Институт Стандартов и Технологий (Гейтерсберг) департамента торговли США (MD 20899), Полномасштабные пожарные испытания, проведенные для InterFIRE VR 6 мая 1998 года Разработка Концепции • Результаты испытаний показывают, что за 100 секунд после начала пожара температура поднимается до значения 300 0C - 400 0C. • Приблизительно за 1,5 минут это значение наблюдается на уровне 1 - 1,68 м. • За 150 секунд температура на уровне потолка повышается до 700 0C приблизительно. • Ничего приятного, и слишком мало времени, чтобы выбраться наружу. Разработка Концепции • Википедия утверждает, что 10 л воды достаточно, чтобы потушить пожар. Оптимальное количество воды - 5,4 л или 1,3 галлона для помещения объемом 67,5 м3. • Эти значения даются для случая, когда используется вода, содержащая кислород. В бытовых батареях вода обескислорожена и ее свойством является то, что она быстро поглощает кислород. • Средний размер комнат - около 50 м3. При испытаниях использовалась комната большего объема - 53,6 м3 • Средняя комнатная батарея содержит около 11 литров воды. • То есть в два раза больше оптимально рекомендуемого количества. • Итак, каким образом мы будем подавать воду в комнату? Разработка Концепции • Спринклерная головка с легкоплавким замком является дорогостоящей (около 50 евро), неэстетичной и легко повреждаемой. Вы не можете установить и использовать ее там, где вам захочется. • Плавкий пробочный предохранитель содержит разнородные металлы, которые плавятся при очень высокой температуре, и стоит почти вдвое дороже, чем спринклерная головка. Он обычно устанавливается в верхней части котла для того, чтобы при плавлении позволить более легким металлам выступить наружу. • Нехорошо. Так как нам необходимо сохранить горизонтальное положение Разработка Концепции • Пластмассовые материалы подходят с точки зрения чистоты и пригодности. • Значит могут использоваться пластмассовые устройства? • Каким образом они будут приводиться в действие? • Легкоплавкий замок в своей сущности и по определению является детектором. Он детектирует случаи распространения тепла и вскрывается при возникновении аварийной ситуации, позволяя тем самым распространение воды во всех направлениях. • Тонкая пластиковая стенка будет вести себя таким же образом, как и легкоплавкий замок, но ее действие будет направлено на источник тепла. Разработка Концепции • Но будет ли реакция пластмассовых элементов идентичной реакции легкоплавкого спринклерного замка? • Нет, будет наблюдаться изменение фазового состояния пластика. • После достижения предела деформационной теплостойкости, наступает фаза теплостойкости по Вику, затем пластик начинает деформироваться и вспучивается со стороны воздействия теплового источника. Его "реакция" направлена в сторону теплоисточника. • Затем он лопается по линии наименьшего сопротивления, изливая содержимое на поверхность. Таким образом мы имеем самонаправляемое устройство из пластика. Разработка Концепции • • • • • Рассмотрим разрывную мембрану: по определению, толщина ее стенки является очень незначительной. Обычно около трех тысячных дюйма для случаев применения в условиях очень высокого давления. Термопластичные материалы теряют свои свойства, когда они подвергаются воздействию высоких температур. Это явление называется деформационной теплостойкостью материала. Таким образом, если использовать гранированную пластиковую головку с очень тонкой стенкой, в соответствии со стандартами проектирования, мы будем иметь целый набор разрывных мембран, которые будут срабатывать под воздействием огня. Форма устройства может быть адаптирована таким образом, чтобы имелась возможность устанавливать их на батареи, направив грани в сторону источника тепла. Под воздействием тепла пластик начинает расширяться, вздувается под воздействием давления в системе. Так как слабая поверхность является неоднородной, вздутие и прорыв образуется по линии наименьшего сопротивления, то есть между источником воздействия и наиболее подверженной этому воздействию точкой . Таким образом конструкция имеет свой собственный "пожарный ствол" для направления струи в сторону огня. Разработка Концепции • Данная конструкция является не очень практичной. Но если заменить вентиляционную пробку батареи комбинированной вентиляционной пробкой, это облегчает установку и делает её посильной для любого. • Закрываем входное и выходное отверстия, снимаем пробку и заменяем. Открываем входное и выходное отверстия, установка закончена. Все просто . • Теперь пробка может использоваться в качестве вентиляционной пробки, но имеет набор разрывных мембран и каналы, позволяющие жидкости вырваться наружу. Разработка Концепции • Начальный вариант конструкции Разработка Концепции • • • • Каким образом увеличить чувствительность зон, подвергающихся воздействию пожара, и ускорить время срабатывания? Опыт проектирования катализаторов демонстрирует, что шероховатая поверхность в данном случае является более эффективной, чем гладкая поверхность, так как имеет большую площадь поверхности. Полная с верхом ложка сахара имеет такую же площадь поверхности, как и теннисный корт. Поверхность утонченной зоны должна быть шероховатой. Если сделать поверхность шероховатой, она будет поглощать тепло быстрее и разрыв будет происходить вдоль линии наименьшего сопротивления. Важным является выбор цвета, анализ излучения показывает, что черный цвет полностью абсорбирует тепло при 1. Белый цвет полностью отражает при 0. Таким образом, черная неровная поверхность будет поглощать тепло намного быстрее и намного эффективнее, чем белая гладкая поверхность прилегающей зоны, которая будет это тепло отражать. Таким образом будет поддерживаться целостность головки при воздействии на нее источника теплового излучения. Но наличие дыма в комнате будет препятствовать эффективной работе устройства. Разработка Концепции Разработка Концепции • Ничего себе! Пробка - всего лишь двухцветная пластмассовая штука из батареи. • Значит форма - не проблема, и цвет соответствует. • Таким образом мы имеем пробку с окрашенной головкой и с рядом утонченных участков, которая будет вкрываться под воздействием пепла. • Что будет происходить при пожаре? Будет ли головка плавиться? Разработка Концепции • При испарении жидкости, в момент между её выходом из источника и расширением, будет наблюдаться эффект Джоуля-Томпсона, приводящий к возникновению охлаждающего барьера. Попросту говоря, будет иметься невидимая стенка, холодная с одной стороны и горячая с другой. Аналогично образованию льда на клапане, когда он частично закрыт. • Эффект Джоуля - Томпсона является основой принципа работы холодильников. При разливе жидкости через маленькое отверстие, основная деталь будет охлаждаться. • Таким образом температура жидкости в батарее находится в диапазоне от 15°C до 75°C, при выходе из системы эта температура достигает значений в диапазоне от 200°C до 700°C. Воздействие начинается. Головка начинает охлаждаться и выпускает жидкость. Разработка Концепции • Движение жидкости обеспечивается за счёт статической головки и / или давления в системе. Предполагается, что это давление будет равняться 1 - 1,5 бар. • Таким образом из головки будет выходить струя жидкости, под сильным или слабым напором. • Проходящая через головку жидкость будет оказывать не нее охлаждающий эффект, таким образом предохраняя ее. (Аналогично горелке, когда температура выходного патрубка равна температуре газа, в то время как температура пламени может достигать 1200°C) • При какой температуре жидкость начинает извергаться? Разработка Концепции • Батареи... • Их конструкция разработана таким образом, чтобы оптимизировать теплопередачу. • С другой стороны, они наиболее оптимальным образом обеспечивают поглощение тепла. • При воздействии огня, находящаяся в батарее вода закипит и начнет испаряться, заполняя паром имеющееся пространство, очень эффективно, если за этим может последовать открытие данной системы. Разработка Концепции • Один из моих бывших коллег, который в настоящее время является заместителем начальника в органах руководства пожарной охраной Италии, было выполнено моделирование с использованием программы CFAST по заказу НИСТ, в однокомнатном закрытом помещении. • Моделирование было упрощенным, и его целью являлось проследить за поведением батареи с установленной на ней головкой при воздействии огня. • Моделирование проводилось при условиях наличия в батарее воды объемом 20 литров и в течении 3000 с. Разработка Концепции • Результаты моделирования Разработка Концепции • Результаты показывают, что при температуре 80°C вода будет вырываться из батареи, в случае, если система закрыта. Однако, деформационная теплостойкость пластика равна 120°C. • Это значение взято из теплового баланса, рассчитанного с учетом температуры испарения в точке выхода жидкости. • Таким образом, если учесть более точные значения температуры и реальные размеры батареи, это подтвердит эффективность самооткрывающегося устройства. Разработка Концепции • Что происходит с вырывающейся жидкостью? • Жидкость ведет себя согласно законам физики в области газовых состояний. • Она быстро расширяется и заполняет имеющееся пространство. • Она охлаждается при переходе из одного состояния в другое и поглощает тепло из окружающей ее атмосферы. • Она вытесняет кислород и отсекает пламя от его источника. Пламя затухает в условиях удушья • Таким образом важным является не наличие струи, а само присутствие воды в комнате. Когда головка разрывается со стороны грани, находящейся под воздействием источника тепла, струя попадает непосредственно на этот источник - на самую горячую точку. Разработка Концепции • В данной ситуации рассматривается жидкость в условиях повышающейся температуры, без разбрызгивания. Скорость испарения является более высокой. • Чем может быть полезен пар? • За счет него создается паровая оболочка, предотвращающая обратную тягу. Это защищает спасателей от удара пламени при открытии двери в помещение. • Это обеспечивает оседание твердых частиц и останавливает распространение токсичного дыма. Объём дыма сокращается, становится легче дышать. • Это обеспечивает дополнительное время для эвакуации, замедляет или останавливает распространение огня. Разработка Концепции • • • • • • • • А что с водой? Речь идет о воде из батареи, которая содержит химические примеси. Мы выполнили оценку риска для здоровья. В ходе исследований мы рассматривали образцы воды ужасающего качества, вырабатываемой при морской добыче, и изучали ее воздействие на здоровье персонала морских установок. Было проведено большое количество анализов, оценка опасности и воздействия на здоровье. Оценка риска для здоровья выполнялась для каждого из органов водоснабжения. С использованием "Chemwatch" (наикрупнейшей в мире базы данных по химическим веществам) мы можем разработать программу смягчения воздействия опасных факторов, что является одним из наших основных видов деятельности. Каким образом это будет применяться? За счет разработки порядка действий при входе в помещение, выполнения Оценки Рисков на Объекте, Анализа Производственной Безопасности и Оценки Риска для Здоровья. Разработка Концепции Падение температуры В течение какого времени можно безопасно входить в помещение? ТЕМПЕРАТУРА ГОРЯЧЕГО СЛОЯ, °C эксперимент ПРОГНОЗ ВРЕМЯ С МОМЕНТА ВОЗГОРАНИЯ (СЕК.) РИСУНОК 4 Разработка Концепции • График показывает, что снижение температуры происходит почти так же быстро, как ее увеличение. • Это то, чего мы ожидаем, но эта гипотеза должна быть подтверждена, так как в основе концепции лежит критерий повышающейся температуры, и его действие не достигнет зон, где температура будет более высокой. • В результате период снижения температуры будет короче. Как правило комната будет охлаждаться за 200 - 300 секунд. • Возможно наше устройство будет более эффективным, чем обычный спринклер, таким образом для активации устройства не обязательно ждать пока тепло достигнет уровня потолка. Разработка Концепции • В какой момент можно безопасно входить в комнату? • Безопасного момента не существует!!! • Воздух в комнате будет влажным, а причиной возгорания может быть проблема электрической цепи - риск поражения электротоком будет очень высок. • Входить в комнату нельзя до тех пор, пока аварийноспасательная бригада не обесточит помещение и не идентифицирует источник опасности. • Пусть это сделают профессионалы! • На случай изолированных частных домов, таких, например, как фермерские хозяйства в Южной Африке, мы разработаем инструкции по вхождению в помещение и предоставим их владельцам. Эти инструкции будут предоставлены вместе с оборудованием и опубликованы на нашем сайте. Разработка Концепции • Таким образом, речь идет об изделии, которое может быть изготовлено из относительно дешевого материала и которое может использоваться в доме каждого из нас. • Остается доработать конструкцию, провести ряд проверок, испытаний, пройти сертификацию и предоставить конечный продукт пользователям во всем мире. • Давайте постараемся спасти человеческие жизни и убережем детей от смерти в пожарах. • Спасибо
