Технологии обнаружения пожара на основе регистрации теплоты, выделяющейся при горении материалов

Основной характеристикой разрушительного действия пожара является температура, развивающаяся при горении. Внутри жилых и общественных зданий температура может достигать 800–900 °C. Как показывает практика, наиболее высокие температуры среды характерны для наружных пожаров. Они в среднем составляют для горючих газов 1 200–1 350 °C, для жидкостей 1 100–1 300 °C, для твердых веществ 1 000–1 250 °C.

При горении термита или магния максимальная температура достигает 2 000–3 000 °C. Пространство вокруг зоны горения, в котором температура в результате теплообмена достигает значений, вызывающих разрушающее воздействие на окружающие предметы и опасных для человека, является зоной теплового воздействия. Считается, что зоной теплового воздействия является территория, на которой температура смеси воздуха и газообразных продуктов сгорания не меньше 60–80 °C.

При этом, естественно, температура не сразу достигает вышеназванных значений, а скорость ее повышения будет зависеть от вида горящего материала, наличия среды, способствующей горению, размеров помещения, здания, сооружения, в котором произошло загорание. В любом случае скорость повышения температуры среды защищаемого объекта при пожаре будет выше скорости изменения температуры от работы нагревательных элементов, присутствия людей, воздействия солнечных лучей через оконные проемы.

Следовательно, тепловой информационной характеристикой пожара может являться как значение температуры, так и скорость ее изменения. В связи с этим технологии реализации метода обнаружения пожара, основанного на регистрации теплоты, выделяющейся при горении материалов, должны обеспечивать обнаружение установленного температурного порога среды или установленного скоростного порога изменения температуры данной среды.

Чувствительный элемент схемы обнаружения включает в себя два упругих металлических контакта, соединенных между собой, с сплава Вуда и включенных последовательно в цепь пожарной сигнализации. При увеличении температуры в защищаемом помещении на величину выше порогового значения 68,5 °C сплав Вуда переходит в жидкое состояние, в результате чего упругие контакты размыкаются и разрывают электрическую цепь пожарной сигнализации, что устройствами индикации отрабатывается как сигнал обнаружения пожара.

Технология обнаружения теплового воздействия пожара с использованием эффекта линейного расширения металла или температурной памяти формы металла основана на применении в чувствительных элементах сплавов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Чаще всего в качестве исходного материала берутся латунь и инвар. На рис. 1 представлена схема устройства реализации технологии обнаружения пожара с использованием эффекта линейного теплового расширения металлов.

Рисунок 1. Схема устройства реализации технологии обнаружения пожара с использованием эффекта линейного теплового расширения маталлов

В дежурном режиме контакты устройства нормально замкнуты, причем один из контактов жестко соединен со стержнем из инвара, который в свою очередь установлен на дне латунного цилиндра и также имеет с ним жесткое соединение. Так как температурный коэффициент линейного расширения латуни в 10 раз больше, чем у инвара, при нагреве латунный цилиндр удлиняется больше, чем инваровый стержень, что приводит к размыканию контактов. Электронной схемой устройства это отрабатывается, как сигнал обнаружения пожара.

Недостатком технологии обнаружения пожара, основанной на принципе использования эффекта линейного теплового расширения, является ее большая инерционность даже при незначительных скоростях роста температуры воздуха. Технология обнаружения пожара, построенная на эффекте температурной памяти формы металла, в качестве чувствительного элемента использует биметаллическую пластину (рис. 2).

Рисунок 2. Биметаллический чуствительный элемент

Конструктивно термочувствительный элемент представляет собой герметичную металлическую колбу, в которой находятся контакты теплового реле (биметаллическая пластина). Биметаллическая пластина состоит из двух слоев различных металлов, жестко связанных по всей поверхности соприкосновения. Эти металлы имеют разные температурные коэффициенты линейного расширения. Слой металла с большим коэффициентом линейного расширения (1) называется термоактивным слоем в отличие от слоя с меньшим коэффициентом линейного расширения (3), называемого термопассивным.

При нагревании пластины происходит изменение линейных размеров каждого слоя биметаллической пластины. Так как коэффициенты линейного расширения каждого слоя различны, то пластина отклоняется в сторону термопассивного слоя. При таком отклонении замыкается (размыкается) контактная пара 2, соединенная с пластиной. Контактная пара включена в схему, которая формирует сигнал обнаружения пожара. Благодаря высокой надежности и относительно небольшой стоимости данная технология в различных модификациях нашла широкое применение в устройствах обнаружения пожара по выделяющемуся теплу.

Технология обнаружения теплового воздействия пожара с использованием зависимости изменения величины термосопротивления от температуры контролируемой среды реализуется на основе использования в качестве чувствительного элемента терморезистора, характеризующегося зависимостью его электрического сопротивления от температуры. На рис. 3 приведен график изменения электрического сопротивления терморезисторов в диапазоне их рабочих температур.

Рисунок 3. График зависимости электроческого сопротивления терморезистора от температуры

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливают на основе медно-марганцевых, кобальто-марганцевых и медно-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников. Как правило, полупроводниковый терморезистор является элементом уравновешенного электрического моста. При повышении температуры его сопротивление меняется, поэтому в выходной диагонали моста появляется электрический сигнал. Как только сигнал достигнет установленного порога срабатывания, устройство индикации отработает возникшую ситуацию как обнаружение пожара.

Технология обнаружения теплового воздействия пожара, основанная на использовании термо-ЭДС, реализована с применением в качестве чувствительных элементов термопар. Технология обнаружения теплового воздействия пожара на основе контроля целостности термочувствительного кабеля предполагает контроль целостности термокабеля, полимерная изоляция токопроводящих жил которого разрушается при фиксированных температурных значениях, разных для каждого типа термокабеля.

Проводники скручиваются для создания между ними механического напряжения на сдавливание. Оплетка над защитной оболочкой служит для изоляции от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды (рис. 4).

Рисунок 4. Термочуствительный кабель

При нагреве термокабеля до температуры срабатывания термочувствительный полимер плавится, проводники замыкаются, изменяется сопротивление цепи, за счет чего обнаруживается очаг пожара (рис. 5).

Рисунок 5. Структурная схема обнаружения очага горения по замыканию жил термокабеля

При коротком замыкании жил по заданному алгоритму рассчитывается длина кабеля до места замыкания, и значение передается на устройство индикации. В зависимости от типа применяемого в кабеле термочувствительного полимера может быть получена температура сработки термокабеля, равная 57 °С, 68 °С, 88 °С, 105 °С, 138 С и 180 °С. Выпускается трехжильный термокабель на два порога срабатывания: на температуру 68 °С и 93 °С.9

Эти недостатки традиционного проводного термокабеля устраняются при использовании оптоволоконного термокабеля. В основе технологии обнаружения теплового воздействия пожара с применением комбинационного принципа измерения температуры вдоль опто-волоконного термокабеля лежит эффект Рамана. Физика данного процесса описывается довольно сложными математическими выражениями, показывающими изменение свойств материала оптоволоконного кабеля (кварцевое стекло) при воздействии на него высокой температуры, а также спектральный состав прямого и отраженного от стенки оптоволоконного проводника светового излучения. В упрощенном виде технология обнаружения изменения температуры в месте прокладки оптоволоконного кабеля в качестве чувствительного элемента показана на рис. 6.

Рисунок 6. Принцип измерения температуры с использованием оптоволоконного кабеля

От лазерного источника света в оптоволоконный кабель посылается световой импульс. Если вдоль всей длины кабеля (световода) нет резких температурных изменений, импульс отражается от конца световода и возвращается через время, определяемое его двойной длиной. При наличии температурных изменений на любом участке световода часть энергии светового импульса отражается на другой длине волны, которая носит название смещенной.

При этом рассеянный сигнал на смещенной длине волны содержит в своем составе три спектральные компоненты (рис. 7). Первой компонентой является рассеяние с длиной волны используемого лазерного источника излучения (рассеяние Релея), второй компонентой – рассеяние с большей длиной волны (составляющая Стокса), третьей компонентой – рассеяние с меньшей длиной волны (составляющая анти-Стокса).

Рисунок 7. Спектральные составляющие смещенного рассеяния

При этом интенсивность антистоксовой спектральной составляющей зависит от температуры, в то время как интенсивность спектральной составляющей Стокса от температуры практически не зависит. Далее величина температуры на аномальном участке оптоволоконного кабеля определяется из соотношения уровня спектральных составляющих анти-Стокса и Стокса. Расстояние до места нагрева определяется по принципу радиолокации измерением времени возврата импульса. Использование полупроводниковых лазерных диодов в качестве излучателей позволяет контролировать незначительные изменения температуры (1–2 градуса по Цельсию в минуту) оптоволоконного кабеля длиной до 10 км. Временной промежуток между импульсами излучения в 10 нс обеспечивает получение практически непрерывного профиля распределения температуры вдоль оптоволокна.

Технология обнаружения теплового воздействия пожара с использованием эффекта объемного расширения жидкости при повышении температуры реализуется с помощью спринклерных оросителей установок автоматического пожаротушения. Спринклерные оросители представляют собой конструкцию, в которой роль теплового замка выполняет стеклянная колба, наполненная жидкостью (рис. 8).

Рсунок 8. Конструкция спринклерного оросителя

При повышении температуры жидкость расширяется, оказывает давление на стенки колбы и разрывает их, освобождая путь огнетушащему веществу (как правило, воде). Спринклеры изготавливаются на различные пороги вскрытия в зависимости от предполагаемой температуры горения материалов в защищаемом помещении (рис. 9).

Рисунок 9. Цвет жидкости в колбе в зависимости от температуры ее всрытия

Недостатком подобной технологии обнаружения пожара является большая инерционность, так как колба вскрывается примерно через 2–3 минуты после повышения температуры. Кроме того, сработавшие спринклерные оросители ремонту и повторному использованию не подлежат. Их надо заменять на новые.

В некоторых конструкциях спринклеров в качестве теплового замка используется запорный термочувствительный элемент на основе легкоплавкого сплава металлов. Детально работа спринклерных оросителей будет рассмотрена в главе, посвященной автоматическим установкам пожаротушения.