автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Тепловой пожарный извещатель с частотной фильтрацией

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

МАРТЫШЕВ Алексей Вячеславович

ТЕПЛОВОЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩА ТЕЛЬ С ЧАСТОТНОЙ ФИЛЬТРАЦИЕЙ

Научный руководитель — доктор технических наук, старший научный сотрудник Танклевский Леонид Тимофеевич

Научный консультант — кандидат технических наук, доцент Бабуров Владимир Петрович

Специальность 05.26.03 - пожарная безопасность Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР В ОБЛАСТИ СРЕДСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАГОРАНИЙ И МЕТОДОВ ИХ ИСПЫТАНИЙ.................12

1.1. Анализ современных методов обнаружения загораний.....12

1.1.1. Информационные параметры очага горения и принципы его обнаружения..............................12

1.1.2. Изучение и анализ частотной структуры колебаний температуры потока над очагом горения...........16

1.2. Пожарные извещатели, принципы работы и области применения...........................................25

1.2.1. Общие сведения о пожарных извещателях..........25

1.2.2. Анализ принципов действия, области применения и эффективности функционирования тепловых пожарных извещателей.....................................26

1.3. Современные методы испытаний тепловых пожарных извещателей..........................................34

1.4. Изучение и анализ возможностей применения установок для испытания тепловых пожарных извещателей..........43

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.........................................46

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ

ЗАГОРАНИЙ ПО КОЛЕБАНИЯМ ТЕМПЕРАТУРЫ..............49

2.1. Теоретическое обоснование распостранения колебаний температуры над очагом пожара........................49

2.1.1. Математическая пространственная модель теплового потока над очагом пожара........................49

2.1.2. Аналитическое обоснование переходной характеристики среды над очагом пожара....................60

2.1.3. Математическая пространственно-временная модель теплового потока................................67

2.2. Теоретическое обоснование методики идентификации тепловых пожарных извещателей........................74

2.2.1. Основные принципы идентификации малоинерционных тепловых пожарных извещателей...................74

2.2.2. Математическая модель динамических характеристик термопреобразователей тепловых пожарных извещателей.....................................78

2.2.3. Математическая модель термопреобразователя частотоизбирательного теплового пожарного извещателя......................................89

2.2.4. Оптимизация параметров термопреобразователей тепловых частотоизбирательных пожарных извещателей.....................................94

2.3. Анализ помех в тепловых частотоизбирательных извещателях и их оптимальная фильтрация..............99

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2........................................ 110

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОИНЕРЦИОННЫХ

ТЕПЛОВЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ...................112

3.1. Конструкция экспериментального стенда для испытаний тепловых пожарных извещателей и принципы его работы.112

3.1.1. Описание конструкции экспериментального стенда

и принципов его работы.........................112

3.1.2.Конструктивное исполнение отдельных узлов стенда115

3.2. Методика проведения экспериментов, обработки результатов и определения параметров по экспериментальным характеристикам.....................................120

3.3. Результаты экспериментального исследования малоинерционных термопарных термопреобразователей...........128

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3........................................128

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРА НА ОСНОВЕ ЧАСТОТОИЗБИРАТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ.....................................131

4.1. Определение основных требований к тепловым пожарным извещателям для систем обнаружения пожара...........131

4.2. Разработка конструкции и принципов работы дифференциального термопарного частотоизбирательного теплового пожарного извещателя...........................135

4.3. Разработка структурной схемы, алгоритма работы и конструкции системы обнаружения и тушения пожаров.. 139

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4........................................144

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................146

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....... 149

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................158

ВВЕДЕНИЕ

Пожары - один из факторов, дестабилизирующих социально-экономическую обстановку в России, наносящих государству значительные материальные потери. Ежегодно регистрируется более 300 тысяч пожаров, гибнет около 15 тысяч человек, столько же получают травмы и увечья. Выгорает около 2,5 миллионов квадратных метров жилья - жилой фонд целого города, ущерб составляет миллиарды рублей. Россия по-прежнему занимает одно из первых мест в мире по числу погибших и пострадавших на пожарах.

Ситуация с обеспечением пожарной безопасности в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в настоящее время так же вызывает серьезную озабоченность. Прослеживается устойчивая тенденция обострения обстановки с пожарами в целом и последствиями от них. Наблюдается непрерывный рост числа боевых выездов подразделений Государственной противопожарной службы. К настоящему времени их количество (по городу и области) уже превышает 46 ООО в год.

В 1997 году в регионе произошло 15 867 пожаров, прямой ущерб от которых составил почти 60 миллионов деноминированных рублей. Вызывает тревогу увеличение числа погибших при пожарах людей. Если в начале 80-х годов их число составляло не многим более 100 человек в год, то в минувшем году огонь унес жизни 292 горожан и 322 жителей области.

Улучшить- ситуацию может активизация научно-технический работы, разработка и применение средств пожарной автоматики, позволяющим обнаружить пожар на ранней стадии развития, ког-

да возможно ликвидировать его, не допустив ощутимого материального ущерба.

Совокупность устройств обнаружения - пожарных увещателей, устанавливаемых на объектах, подсистем передачи информации, обладающих широкой разветвленностью каналов связи, -обеспечивает создание автоматизированной системы централизованной охраны объектов народного хозяйства, рассредоточенных на значительных территориях городов и других населенных пунктов. Пожарные извещатели, применяемые в этих системах, реагируют на незначительные концентрации продуктов горения, избыточную температуру и открытое пламя, что позволяет своевременно обнаружить очаги пожара и быстро их ликвидировать. В основе таких извещателей реализуются различные физические принципы преобразования неэлектрических величин в электрические.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации автоматических систем пожарной сигнализации показывает, что проблема раннего и сверхраннего обнаружения пожара в настоящее время не может быть успешна решена с помощью только одного или нескольких типов пожарных извещателей. Требуется создание комплекса средств обнаружения загораний по всем информационным факторам и признакам пожара. В связи с этим существует проблема создания пожарных извещателей, реализующих новые принципы функционирования, обеспечивающих измерение и анализ соответствующих параметров среды, сопутствующей пожару [ 1]. Существующие высокочувствительные дымовые пожарные извещатели не могут применяться в жестких условиях эксплуатации (повышенные влажность, пыльность, загазованность, наличие аг-

рессивных сред, масляного тумана и пр.), где используются исключительно тепловые пожарные извещатели (ТПИ). Однако основными недостатками существующих тепловых извещателей является малая чувствительность и большая инерционность срабатывания, ~~что предполагает необходимость разработки ТПИ на основе новых принципов действия с улучшенными параметрами.

В настоящее время представляется перспективной возможность обнаружения очага на ранней стадии его развития по пульсациям температуры под потолком помещения при помощи частотоизбирательных ТПИ, однако, в настоящее время, отсутствует обобщенная теория обнаружения загорания по пульсациям температуры. Поэтому необходима разработка математических моделей колебаний температуры теплового потока над очагом пожара и обнаружения загорания по этим пульсациям.

Разработанные опытные образцы частотоизбирательных извещателей, обнаруживающие очаг пожара по пульсациям температуры показали свою работоспособность и преимущество перед обычными тепловыми извещателями при обнаружении открытых очагов пожара. Следовательно существует необходимость проведения дальнейших исследований в данном направлении, в частности разработка математической модели и оптимизация параметров этих извещателей.

В связи с появлением перспективных тепловых пожарных извещателей (ТПИ) в том числе частотоизбирательных, чувствительным элементом которых являются малоинерционные тепловые пожарные датчики (ТПД) на основе микротерморезисторов, микротермопар и т.п. возникают новые вопросы при их испытаниях. Эти вопросы не могут быть решены традиционными методами, что

требует обобщения существующих и разработки новых методик и установок для испытаний ТПИ.

Цель диссертационной работы - разработка теоретических основ, конструкции и принципов испытаний малоинерционных тепловых пожарных извещателей, анализирующих характерные частоты и амплитуды пульсаций температуры над очагом пожара. Основные задачи исследования:

разработка математической модели динамических характеристик малоинерционных ТПИ;

разработка математической модели, конструкции и оптимизация параметров малоинерционных ТПИ для обнаружения загорания по пульсациям температуры над очагом пожара;

разработка принципов и методики испытаний малоинерционных ТПИ, а также создание на их основе лабораторной испытательной установки для испытаний ТПИ;

разработка комплексной системы обнаружения и тушения пожара на основе частотоизбирательных ТПИ.

Научная новизна работы состоит в том, что: впервые проведено теоретическое обоснование методики идентификации малоинерционных ТПИ, разработана математическая модель динамических характеристик термопреобразователей тепловых пожарных извещателей;

создана не имеющая аналогов лабораторная установка для испытаний малоинерционных и частотоизбирательных ТПИ;

разработана методика проведения экспериментов, обработки результатов и определения параметров малоинерционных ТПИ по полученным экспериментальным характеристикам;

впервые разработаны математическая модель, конструкция

и принципы работы дифференциального термопарного частотоиз-бирательного ТПИ.

Практическая ценность работы заключается в разработке на уровне изобретений: теплового пожарного извещателя с частотной фильтрацией; экспериментального стенда для испытаний тепловых пожарных извещателей; установки охранно-пожарной сигнализации и пожаротушения; автоматического огнетушителя, а также в создании методики испытаний малоинерционных тепловых пожарных извещателей.

Реализация результатов работы. Стенд для испытаний ТПИ и результаты теоретических исследований использовались в учебном процессе Санкт-Петербургского института повышения квалификации работников МВД России (1997 г.) и Санкт-Петербургской академии МВД России (1998 г.). Создан опытный образец системы пожарной сигнализации и пожаротушения на основе частотоизбирательных ТПИ, прошедший опытную эксплуатацию в ООО "Интертехнолог". Стенд для испытаний использован в НИЦ С-Пб филиала ВНИИПО МВД России при проведении исследований по созданию экспериментального оборудования для испытаний ТПИ.

На защиту выносятся следующие положения: теоретические основы методики идентификации малоинерционных тепловых пожарных извещателей;

результаты математического моделирования термопреобразователя малоинерционных ТПИ;

комплекс технических средств для испытаний ТПИ;

методика экспериментального определения характеристик малоинерционных ТПИ и определения по ним основных параметров извещателей;

результаты математического моделирования и конструкция дифференциального термопарного частотоизбирательного ТПИ;

принципы и результаты создания комплексной системы обнаружения и тушения пожаров на основе частотоизбирательных ТПИ.

Апробация работы. Основные результаты и положения исследования обсуждались на научно-практической конференции "Обеспечение комплексных мероприятий пожарной безопасности предприятий и организаций различных форм собственности" (Санкт-Петербург, 6-8 июня 1994г.); российской научно-технической конференции "Опыт и перспективы обеспечения комплексных мероприятий пожарной безопасности на предприятиях" (Санкт-Петербург, 14-15 ноября 1995 г.); научно-практической конференции "Актуальные проблемы пожарной безопасности и подготовки кадров" (Ташкент, 16-18 ноября 1995 г.); всероссийской межведомственной научно-практической конференции "Опыт обеспечения современных направлений в охране труда, комплексных мероприятий пожарной безопасности и защите здоровья работников при любых видах и формах трудовой деятельности" (Санкт-Петербург, 17-18 декабря 1996 г.); научно-практической конференции "Проблемы совершенствования системы подготовки кадров и деятельности пожарной охраны" (Ташкент, 21 мая 1998 г.); международной научно-практической конференции "МВД России - 200 лет" (Санкт-Петербург, 28-29 мая 1998 г.); международной научно-практической конференции

- и -

"Новые информационные технологии в практике работы правоохранительных органов" (Санкт-Петербург, 20 ноября 1998 г.); на заседаниях кафедры пожарной автоматики Московского ИПБ МВД России, а также кафедры автоматики и средств связи в пожарной охране факультета подготовки сотрудников ГПС Санкт-Петербургского университета МВД России; на второй международной выставке-конгрессе "Высокие технологии, инновации, инвестиции - 97"; на международных выставках "Охрана и безопасность - 96, - 97".

Публикации.Материалы диссертации опубликованы в 14 работах, защищены 4 патентами на изобретения Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 166 страниц, в том числе; 13 рисунков; 4 таблицы; 8 страниц библиографического списка использованной литературы и 9 страниц приложений.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР В ОБЛАСТИ СРЕДСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАГОРАНИЙ И МЕТОДОВ ИХ ИСПЫТАНИЙ

1.1. Анализ современных методов обнаружения загораний

1.1.1. Информационные параметры очага горения и принципы его обнаружения

При разработке, проектировании и применении технических средств обнаружения загораний необходимо знать характеристики параметров, сопутствующих процессу возникновения и развития пожара. К числу основных информационных параметров пожара можно отнести: излучение пламени; изменение температуры среды, окружающей очаг загорания; выделение дыма и продуктов горения [13].

Очаг загорания является источником электромагнитного излучения, находящегося в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. В этом случае информационными параметрами загорания являются: спектральный состав, интенсивность и флуктуации интенсивности излучения. Спектральный состав излучения и его интегральная по спектру интенсивность зависит от мощности очага горения, горючего материала и типа горения (тлеющее или пламенное). При развитии загорания интенсивность увеличивается, а при пламенном горении, кроме того, пульсирует вследствие "мерцания" пламени. Частотный диапазон пульсаций (от единиц до нескольких десятков герц) зависит от размеров, формы пламени и вида горючего вещества. Характер изменения интенсивности излучения от направления (форма ди-

аграммы направленности) зависит от размеров и формы как очага горения, так и пламени. Обнаружение загораний в данном случае практически реализуемо лишь при пламенном горении, поскольку при тлеющем горении интенсивность излучения сравнима с фоновым излучением. Таким образом, обнаружение загораний по излучению пламени можно проводить, определяя интенсивность или ее флуктуации в определенном спектральном диапазоне.

Возникший очаг горения является источником тепловыделения, в результате чего над ним возникает конвективный поток, переносящий к потолку помещения продукты горения и нагретые массы воздуха. Следствием этого переноса является изменение характеристик среды над очагом горения. Перенос избыточной энтальпии к потолку помещения вызывает там повышение температуры среды. Кроме роста температуры, информационными параметрами загорания в данном случае являются скорость роста и пульсации температуры, вызванные турбулентностью течения потока продуктов горения. Обнаружение загорания по тепловыделению можно проводить по всем этим параметрам при помощи контактных (измерение температуры и ее скорости роста) и оптических методов.

Существенным признаком загорания является вы