Синтез аспирационного и термомагнитного методов выделения и подавления пожарно-энергетического вреда в автоматизированную систему обеспечения безопасности жилого сектора

Бахматская Лилия Сергеевна студент, кафедра "Автоматизация производственных процессов", Донской государственный технический университет 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1 Bakhmatskaya Liliya Sergeevna External Doctoral Candidate, the department of Automation of Production Processes, Don State Technical University 344000, Russia, Rostov-on-Don, Ploschad Gagarina 1 lilia.b95@mail.ru Олейников Сергей Николаевич кандидат технических наук Заместитель начальника факультета, Академии государственной противопожарной службы МЧС России 129366, Россия, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4 Oleinikov Sergei Nikolaevich PhD in Technical Science Vice Dean of Faculty, State Fire Academy of Emercom of Russia   129366, Russia, Moscow, Borisa Galushkina Street 4 osn-fire@rambler.ru

Периков Артем Валерьевич адъюнкт, Академия государственной противопожарной службы МЧС России 129366, Россия, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4 Perikov Artem Valer'evich Adjunct Professor, State Fire Academy of Emercom of Russia   129366, Russia, Moscow, Borisa Galushkina Street 4 perikoff91@yandex.ru

В настоящее время пожары, особенно в высотных жилых зданиях, становятся достаточно частыми явлениями, которые, помимо огромных прямых материальных потерь уносят жизни людей, что обусловлено, как отсутствием специальной пожарной техники, способной выполнять оперативно-тактические задачи в таких сооружениях, так и эффективных средств противопожарной защиты высотных зданий.

В зданиях выше десяти этажей, согласно «Строительным нормам и правилам», в обязательном порядке предусматриваются незадымляемые эвакуационные лестницы класса Н1. Конструктивная особенность таких сооружений в том, что они не связаны напрямую с этажами здания. Обычно клетки Н1 располагаются в углах зданий и сооружений с наветренной стороны и имеют переходы балконного вида, огражденные защитными экранами (рис.1).

Тем не менее, статистические данные МЧС России свидетельствуют о том, что более 70% пожаров происходит в жилом секторе страны ^[1]:

в 1-2 этажных зданиях – до 125 тыс. пожаров и до 10 тыс. погибших,

в 3-5 этажных зданиях – около 20 тыс. пожаров и около 2 тыс. погибших,

в 6-9 этажных зданиях – около 16 тыс. пожаров и до 1 тыс. погибших,

в 10-25 этажных зданиях – около 10 тыс. пожаров и около 500 погибших,

в зданиях более 25 этажей – около 30 пожаров и до 10 погибших.

Если ввести понятие «вероятности гибели от этажности здания», т.е. отношения числа погибших к этажности, то в высотных зданиях она в 4,16 раза выше, чем 1-2 этажных. И это несмотря на то, что в зданиях выше 10 этажей предусмотрены капитальные противопожарные меры (незадымляемые лестничные клетки и т.д.).

Следовательно, даже без системного анализа причин, можно сделать вывод, что существующие системы противопожарной защиты высотных зданий не адекватны их пожарной опасности, а пожарная безопасность проживающих в «высотках», обусловленная временем их эвакуации, обратно пропорциональна этажности здания.

Системный синтез решения проблемы безопасности в жилом секторе требует самоорганизации трех процессов:

- раннего обнаружения загорания с соответствующим оповещением,

- наличия и доступности «незадымляемого пути эвакуации»,

- подавления/замедления распространения огня (до прибытия пожарных подразделений).

Известно, что самой «быстрой и надежной» системой пожарной сигнализации является аспирационная система, в которой, для достоверного обнаружения используются три разных датчика (тепловой, дымовой и газовый), а её трубопровод охватывает все помещения квартиры, в отверстия которого всасывается воздух, проходящий через камеру с указанными датчиками, чем и обусловлено раннее обнаружение пожара ^[2].

Также хорошо известно, что наименьший ущерб электроприборам, книгам, вещам, мебели и другим приборам и предметам быта наносит газообразный азот, который давно применяется для объемного тушения пожаров в библиотеках и на других объектах, где сохранность радиоэлектронного оборудования и вычислительной техники является определяющим ^[3,4].

Так как наличие и доступность «незадымляемого пути эвакуации» в высотках имеется, то естественно возникает идея использовать трубопровод аспирационной системы, для закачивания через неё в каждую комнату газообразного азота и, подавления, таким образом, возникшего загорания.

Для реализации такой схемы необходимо и достаточно (рис.2):

во-первых, организовать «реверс» вентилятора аспирационной системы и увеличить его обороты, чтобы, по меньшей мере, на порядок выше (10-50 л/с), обеспечить подачу азота в защищаемые помещения через те же отверстия трубопровода,

во-вторых, скомплексировать с блоком датчиков аспирационной системы генератор азота, чтобы обеспечить флегматизацию воздуха во всем объеме квартиры (в среднем 200 куб. м.) до концентрации кислорода в нем не выше 10%,

в-третьих, оповестить жильцов о включении газовой системы пожаротушения и необходимости эвакуации,

в-четвертых, осуществить передачу сигнала «загорание» в ближайшую пожарную часть (например, по радиоканалу).

Рис.2 – Блок схема аспирационной системы с генератором азота

В качестве генератора азота можно использовать разные установки ^[4-6], например,

- 40-литровые баллоны, с соответствующими элементами коммутации с аспирационной системой (рис.3),

Рис. 3 – Газобаллонная установка автоматического пожаротушения

- малогабаритные мембранные установки сепарации азота из воздуха (рис.4),

Рис. 4 - Мембранная азотная установка

- термомагнитные сепараторы воздуха (рис.5).

Рис. 5 - Винтовая конструкция сепаратора и распределение магнитного поля

Однако, с точки зрения безопасности, надежности, долговечности и экономичности, термомагнитные сепараторы воздуха находятся вне конкуренции по следующим причинам:

во-первых, совершенно очевидно, что помимо габаритов и необходимости специального контроля и перезаправки, баллоны с азотом в квартире (даже если предусмотреть для них специальный отсек в коридоре) – дополнительная опасность и не такая высокая эффективность, как у остальных установок, т.к. при вводе азота не происходит удаления кислорода из помещений, а происходит только физическое разбавление ^[4];

во-вторых, малогабаритная мембранная азотная установка, сепарируя азот из окружающего воздуха и, направляя его в трубы аспирационной системы, «высасывает» и удаляет все остальные атмосферные газы (О₂, СО₂ и т.д.), например, в систему вентиляции жилого дома, резко снижая концентрации кислорода в помещениях, и «работает» до тех пор, пока не достигнуто требуемое понижение концентрации кислорода, не требуя при этом никаких перезарядок и обслуживаний.

Однако существенным недостатком малогабаритных мембранных азотных установок является то, что для «выхода на рабочий режим» необходимы десятки минут, и давление, при котором половолоконные мембраны работают эффективно, составляет 35 атмосфер, в связи с чем, требуется дросселирование, чтобы снизить давление и не разорвать трубы (полимерные) аспирационной системы, к тому же компрессор установки потребляет много электроэнергии ^[5].

Принцип ТМСВ базируется на уравнении движения газа (уравнение Эйлера) в магнитном поле, через ν - поле вектора скоростей газа, p - давление газа, - магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н - напряженность магнитного поля ^[6]:

(1)

Рис.6 - Схема расположения магнитов, вихревых воздухоохладителей и наноперегородки

Подставляя в формулу (1) уравнение состояния идеального газа pV=NkT, и выражая плотность газа через его давление p = nkT = ρkT/m, получим выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

(2)

где U=-alfaH2/2 - потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара- или диа-магнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле

Для кислорода, обладающего парамагнитными свойствами, средняя магнитная поляризуемость отдельной молекулы alfa- положительна (+3396∙10^-6), а для азота (N₂ = -12∙10^-6) и остальных газов, обладающих диамагнитными свойствами, магнитная поляризуемость отдельной молекулы - отрицательна. Поэтому плотность кислорода увеличивается в области сильного магнитного поля в соответствии с уравнением (2), а плотность азотной компоненты - уменьшается, в зависимости от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора (рис.5). Для уменьшения процесса диффузионного восстановления разности концентраций диамагнетиков и кислорода, посредине канала ТМСВ установлена наноперегородка из пористого алюминия (рис.6), разделяющая его на «парамагнитный» - кислородный подканал и «диамагнитный» подканал с инертными газами. Разность температур между стенкой с магнитами и противоположной - устанавливается и поддерживается с помощью вихревых воздухоохладителей Азарова ^[6-8].

Таким образом, присоединяя «диамагнитный подканал» ТМСВ к вентилятору аспирационной системы, и, реверсируя его на приток (рис.2), получим подавление загорания охлажденными диамагнитными компонентами воздуха (N₂, CO₂, Ar и пары воды). Парамагнитный подканал при этом заводится в вентиляционную систему дома, для сброса кислорода в атмосферу.

В результате системного синтеза предложена «комбинация» аспирационного и термомагнитного методов обнаружения и подавления загорания в защищаемых помещениях, сепарируемым из воздуха азотом, которая обеспечивает оповещение жильцов о необходимости эвакуации, и автоматически передает сигнал тревоги о загорании в ближайшую пожарную часть по радиоканалу, осуществляя подавление загорания до прибытия боевых расчетов.