Synthesis of aspiration and thermomagnetic methods of allocation and suppression of fire and electrical harm in the automated system of safety of residential bocks

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 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

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.