«Интеллектуальная» система вентиляции и кондиционирования воздуха в квартирах многоэтажных зданий и в индивидуальных жилых домах с нанотехнологиями защиты от пожаров и взрывов

Автор: Белозеров В.В.

Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild

Рубрика: Проблемы применения наноматериалов и нанотехнологий в строительстве

Статья в выпуске: 6 т. 11, 2019 года.

Бесплатный доступ

Одной из глобальных проблем в мире является защита человечества от пожаров, 70% которых происходит в жилых многоэтажных зданиях и индивидуальных жилых домах. В статье представлено применение методологии «интеллектуализации» бытовых электроприборов для сплит-систем на предмет контроля опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) от утечек бытового газа в многоквартирных жилых зданиях и индивидуальных жилых домах. Принципиальное отличие предлагаемой доработки заключается в том, что, во-первых, используется мульти сплит-система с двумя или тремя внутренними блоками, один из которых в обязательном порядке устанавливается на кухне и стыкуется с газовым счетчиком, имеющим электромагнитный клапан перекрытия подачи бытового газа. Во-вторых, «кухонный блок» отключает электропитание в квартире / индивидуальном доме, при обнаружении ОФПВ с помощью мощного симистора или магнитного пускателя, который монтируется в электрическом щите квартиры /индивидуального дома. В-третьих, в каждый внутренний блок встраивается аккумулятор с соответствующим преобразователем, обеспечивающим их работу при отключении электроэнергии, а также заряжающий его при её наличии. В-четвертых, помимо дымового, теплового и газового датчиков, в каждый внутренний блок встраивается термомагнитный сепаратор воздуха, который включается при обнаружении ОФПВ и из прокачиваемого воздуха отделяет и выводит наружу кислород, возвращая в помещение только инертный газ и обеспечивая тем самым предотвращение взрыва или распространения пожара. Контроллер, включая термомагнитный сепаратора воздуха, формирует звуковой сигнал тревоги для жильцов и SMS-вызов соответствующей аварийной службы. Полученные результаты доказывают эффективность применения нанотехнологий газоразделения и обнаружения ОФПВ в мульти сплит-системах не только для вентиляции и кондиционирования в квартирах многоэтажных зданий и в индивидуальных жилых домах, но и для их пожаровзрывозащиты.

Еще

Сплит-система, внутренний блок, термомагнитный сепаратор воздуха, опасные факторы пожара и взрыва, газоразделение, газовый счетчик, электромагнитный клапан

Короткий адрес: https://sciup.org/142221490

IDR: 142221490 | DOI: 10.15828/2075-8545-2019-11-6-650-666

Текст научной статьи «Интеллектуальная» система вентиляции и кондиционирования воздуха в квартирах многоэтажных зданий и в индивидуальных жилых домах с нанотехнологиями защиты от пожаров и взрывов

«Intellectual» system of ventilation and air conditioning in apartments in high-rise buildings and in individual houses with nanotechnology protection against fires and explosions. by

Today, almost every residential building or apartment (Fig. 1) uses split-systems, which create comfortable conditions for staying in the rooms where the indoor unit is installed.

It is obvious that no legal laws, technical requirements and rules can not anticipate the constantly changing danger of the objects of the technosphere (fire, electrical, mechanical, etc.) and our environment (geosphere, biosphere, atmosphere, etc.). Only monitoring, i.e. the use of hard- ware and software that monitors and promptly warns of an increase in danger above an acceptable level can change the current global trend of increasing accidents, fires and other emergencies (ES), as well as losses from them [1].

Statistical studies of fires in southern Russia over the past 15 years have shown that the largest number of fires (70%) occurs in the residential sector, 42.41% of which occurs in rooms, kitchens, corridors and toilet rooms of apartments and individual houses (Fig. 2) due to gas and electrical causes and the ignition sources (Fig. 3), as well as due to the careless handling of fire [2].

Fig. 1. Split system in a high-rise (a) and individual (b) residential building

Lobby 1,80%

„...... Subsidiary rooms

Building designs _

Balcony, verandah 4,97%

Roof, loft 6,22%

Staircase, refuse chute, the lift 1,42%

Bar, smoking room, toilet, etc.

7,20%

External technological installation 0,33%

Other rooms

9,43%

Interior, body, the car 4,93%

The others

1,57%

Cellar 2,69%

1,86%

Places of occurrence of fires in the South of

Russia, including had extinguishing or burning dowi wthout FPS - 25,33%

Fig. 2. Fire statistics by their place of ignition sources

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Fig. 3. Statistics of sources of fires and explosions

As it follows from the histogram (Fig. 3), about 75% of fires arise from gas appliances and stoves, household electrical appliances and careless handling of fire. including about half of them – for electrical reasons [1, 2].

Therefore, modification of domestic appliances (televisions, refrigerators, air conditioners, etc.) into standalone fire detectors can make it possible to detect 65.93% of fires in the residential sector at an early stage, and, consequently, to reduce twice the consequences from them [2, 3], that is:

– to reduce 41.9% of direct material harm,

– to keep intact 33.7% of the areas,

– to prevent the destruction of 31.9% of the areas.

Nanotechnology of intellectualization

Development of nanotechnology «intellectualization of household electrical appliances» that could detect hazard failures in them and control dangerous factors of fire and explosion (DFFE) in the premises where they are installed, started 15 years ago (for refrigerators, televisions, electricity meters, etc.), by developing and using smoke detectors and modules of thermionic protection in them, which prevented their own ignition by disconnecting from the power grid, and provided an alert over the radio channel of the fire service in case of fire [1–10].

Use of these nanotechnologies in split systems for these purposes is the most effective way for the following reasons [11–14]:

– firstly, the internal unit of the split-system «pumps through itself» the air from the room where it is installed, as the fastest aspiration fire detectors do, using special piping laid to each protected room,

– secondly, the split-system is controlled by a controller installed in the indoor unit, to which smoke, heat and gas sensors are easily connected, as well as the GSM modem, to alert emergency services,

– thirdly, it is easy in indoor units to build in a thermo-magnetic separator of air (TMSA), which extracts oxygen (paramagnetic) from the «pumped air». Oxygen can be brought out of the house through the drainage channel, and nitrogen and rest inerts gases (diamagnetic) can be returned to protected rooms, thus performing suppression of DFFE by phlegmatization and lowered oxygen concentration to a level at which combustion and explosion are impossible, as it is done by gas extinguishing installations.

As follows from the conducted research [2, 5, 7, 11], this model of split-system-fire-detector (SSFD) was created, and included the protection of the device itself from fire-hazardous failures with the help of thermionic protection modules and of an autonomous smoke detector (DIP) with a GSM-modem in the internal unit of SSFD [12–14].

It was proved (tab. 1, 2) that in this case, with a small decrease in the technical resources of the split-system units, their fire-safe resources increase by an order of magnitude and become commensurate with their technical resources [2–8].

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Thus, for the internal unit a reduction of the technical resource up to 10 years was obtained, and an increase of fire-safe resource – up to 40 years (Table 1).

For the external unit, the technical resource decreased to 8 years, and its fire-safe resource increased to 3 years (Table 2).

Scientists of Rostov State University, within the framework of the Grant on motor vehicle safety [15], developed nanotechnology for thermomagnetic air separation [16] and obtained a RF patent for an invention of thermomag-netic separator of air (TMSA) [17].

TMSA is a pipe coiled into a spiral (Fig. 4), on the outside of which permanent magnets are installed, and on the inside – Azarov’s vortex coolers [18]. A nanopartition made of porous aluminum (Fig. 5) is installed along the TMSA channel, dividing it into «paramagnetic» (oxygen) and «diamagnetic» subchannels (with inert gases: nitrogen, carbon dioxide, etc.), preventing the back diffusions of gases [15, 17].

TMSA, which in this case is a «nanogenerator of inert gas», is based on the gas motion equation (Euler equation) in a magnetic field, through ν is the gas velocity vector

Table 1

Technical and fireproof resource of the indoor unit with protection

Product, unit, class and type of ERE	Average value in the product				Average intensity in the group				Probability in the group of
Product, unit, class and type of ERE	Ignition tempera-ture	Electr. load	Terminals	Numberof ERE	Failures rated	Failures actual	Inflammations	Firehazard	Shorting	Breaking of wire	El. breakdown	Inflammation	Spread-ingof fire	Fire
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Indoor unit, including:	250,90			125		8,82E-06						2,79E-06		7,22E-09
Diodes	256,3	0,35	2	16	2,10E-07	2,92E-06	1,68E-08	2,54E-07	0,047	0,264	0,040	1,10E-06	2,22E-03	2,45E-09
Resistors	253,0	0,55	2	58	4,50E-08	1,08E-06	1,87E-09	2,92E-08	0,027	0,192	0,000	1,23E-07	2,56E-04	3,14E-11
Transistors	316,1	0,35	3	11	8,40E-07	2,56E-06	4,20E-09	7,87E-07	0,077	0,227	0,230	2,76E-07	6,88E-03	1,90E-09
Сapacitors	224,3	0,60	2	33	5,20E-08	7,06E-07	4,57E-09	1,45E-07	0,130	0,000	0,075	3,00E-07	1,27E-03	3,80E-10
Optical electronic devices	256,3	0,35	2	4	2,10E-07	7,30E-07	4,20E-09	6,35E-08	0,047	0,264	0,040	2,75E-07	5,56E-04	1,53E-10
Transformers	316,1	0,80	8	1	1,00E-06	2,48E-07	2,27E-09	1,98E-07	0,500	0,100	0,300	1,49E-07	1,7E-03	2,59E-10
Microcircuits	368,7	0,85	14	1	1,30E-08	1,92E-08	5,56E-10	1,13E-08	0,370	0,240	0,220	3,64E-08	9,94E-05	3,62E-12
Ventilator	306,5	0,80	2	1	2,25E-06	5,51E-07	8,08E-09	4,41E-07	0,500	0,100	0,300	5,30E-07	3,86E-03	2,04E-09
Thermoelectronic protection modules МТ-2, including:		12		8,57E-07						2,04E-05		2,24E-09
– microcircuits	368,7	0,85	14	1	1,30E-08	1,92E-08	5,56E-10	1,13E-08	0,370	0,240	0,220	4,87E-06	9,94E-05	4,84E-10
– thyristors	507,8	0,35	3	1	5,00E-07	1,18E-07	3,36E-10	1,02E-08	0,047	0,264	0,040	2,95E-06	8,97E-05	2,64E-10
– stabilitrons	256,3	0,35	2	1	2,10E-07	1,82E-07	1,05E-09	1,59E-08	0,047	0,264	0,040	9,20E-06	1,39E-04	1,28E-09
– resistors	253,0	0,55	2	5	4,50E-08	9,34E-08	1,61E-10	2,52E-09	0,027	0,192	0,000	1,41E-06	2,21E-05	3,12E-11
– capacitors	224,3	0,60	2	2	5,20E-08	2,18E-08	1,41E-10	4,48E-09	0,130	0,000	0,075	1,24E-06	3,92E-05	4,86E-11
– plug and socket units	358,2	0,65	4	1	1,00E-06	1,90E-07	5,20E-11	1,81E-08	0,095	0,000	0,000	4,56E-07	1,58E-04	7,22E-11
– pozistor	507,8	0,65	5	1	1,25E-06	2,32E-07	3,31E-11	2,20E-08	0,095	0,000	0,000	2,90E-07	1,93E-04	5,61E-11
Wiring	232,5	0,65	1	12	1,50E-08	6,60E-08	9,41E-10	1,27E-08	0,192	0,027	0,000	6,17E-08	1,11E-04	6,85E-12
Soldered junctions	274,6	0,65	1	331	2,00E-08	1,60E-06	2,49E-08	8,02E-07	0,400	0,400	0,100	1,63E-06	7,01E-03	1,14E-08
For the product as a whole:				149		1,13E-05						2,49E-05		2,09E-08
Standard deviation						8,7E-07								2,7E-09
Reliability / fire resistance:			0,89843329				0,99999998
Technical/ fire-safe life time (years):			9,34	- : -	10,89				42,4	- : -	54,9

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Table 2

Technical and fireproof resource of the external unit with protection

Product, unit, class and type of ERE	Average value in the product				Average intensity in the group				Probability in the group of
Product, unit, class and type of ERE	Ignition tempera-ture	Electr. load	Terminals	Number of ERE	Failures rated	Failures actual	Inflammations	Fire hazard	Shorting	Breaking of wire	El. breakdown	Inflammation	Spreading of fire	Fire
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
External unit, icluding:	255,59			181		1,03E-05						3,86E-06		2,03E-07
Resistors	253,0	0,55	2	86	4,50E-08	1,61E-06	2,77E-09	4,34E-08	0,027	0,192	0,000	2,57E-07	3,80E-04	9,78E-11
Сapacitors	224,3	0,60	2	63	5,20E-08	1,70E-06	1,10E-08	3,48E-07	0,130	0,000	0,075	1,02E-06	3,04E-03	3,10E-09
Transistors	316,1	0,35	3	7	8,40E-07	1,63E-06	2,67E-09	5,01E-07	0,077	0,227	0,230	2,48E-07	4,38E-03	1,09E-09
Diodes	256,3	0,35	2	13	2,10E-07	2,37E-06	1,36E-08	2,06E-07	0,047	0,264	0,040	1,27E-06	1,81E-03	2,29E-09
Pozistor	507,8	0,65	5	7	1,25E-06	1,64E-06	2,34E-10	1,56E-07	0,095	0,000	0,000	2,17E-08	1,36E-03	2,96E-11
Relay /Starter	507,8	0,65	5	1	1,25E-06	2,73E-07	3,89E-11	2,59E-08	0,095	0,000	0,000	3,61E-09	2,27E-04	8,21E-13
Optical electronic devices	256,3	0,35	2	3	2,10E-07	5,47E-07	3,15E-09	4,76E-08	0,047	0,264	0,040	2,92E-07	4,17E-04	1,22E-10
Ventilator	306,5	0,80	2	1	2,25E-06	5,51E-07	8,08E-09	4,41E-07	0,500	0,100	0,300	7,50E-07	3,86E-03	2,89E-09
Thermoelectronic protection modules МТ-1, including:		13		1,21E-06						2,07E-07		1,05E-10
– transistors	316,1	0,35	3	2	8,40E-07	4,66E-07	7,64E-10	1,43E-07	0,077	0,227	0,230	7,09E-08	1,25E-03	8,89E-11
– stabilitrons	256,3	0,35	2	1	2,10E-07	1,82E-07	1,05E-09	1,59E-08	0,047	0,264	0,040	9,74E-08	1,39E-04	1,36E-11
– resistors	253,0	0,55	2	7	4,50E-08	1,31E-07	2,26E-10	3,53E-09	0,027	0,192	0,000	2,09E-08	3,09E-05	6,48E-13
– capacitors	224,3	0,60	2	1	5,20E-08	1,09E-08	7,06E-11	2,24E-09	0,130	0,000	0,075	6,56E-09	1,96E-05	1,29E-13
– plug and socket units	358,2	0,65	4	1	1,00E-06	1,90E-07	5,20E-11	1,81E-08	0,095	0,000	0,000	4,83E-09	1,58E-04	7,64E-13
– relay / starter	507,8	0,65	5	1	1,25E-06	2,34E-07	6,39E-11	2,22E-08	0,095	0,000	0,000	5,93E-09	1,95E-04	1,15E-12
Wiring	232,5	0,65	1	7	1,50E-08	3,85E-08	5,49E-10	7,39E-09	0,192	0,027	0,000	5,09E-08	6,48E-05	3,30E-12
Soldered junctions	274,6	0,65	1	405	2,00E-08	3,59E-06	1,33E-07	1,79E-06	0,400	0,400	0,100	1,24E-05	1,56E-02	1,93E-07
For the product as a whole:				201		1,52E-05								3,95E-07
Standard deviation						1,0E-06								4,7E-08
Reliability / fire resistance:			0,86794895				0,99999956							2,7E-09
Technical/ fire-safe life time (years):			7,06	- : -	8,06				2,26	- : -	2,87
Technical/ fire-safe life time (years):			9,34	- : -	10,89				42,4	- : -	54,9

Fig. 4. TMSA:

a) single turn;

b) separator assembly

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Fig. 5. Layout of magnets, coolers and nano-bulkheads

field, its density is ρ and pressure is p , α is magnetic polarization and H is magnetic field strength [16, 17]:

ρ•(∂ν/∂ t+ (ν•V)•ν) =

– grad ( p )–ρ• grad (–(α H ²/2 m) ). (1)

Substituting the equation of state of an ideal gas pV = NkT into formula (1), and expressing the density of the gas through its pressure p = nkT = ρ kT/m , we obtain the expression for the density of gas molecules in the form of the Boltzmann distribution

ρ = ρ₀exp(α H ²/2 kT) = ρ₀exp(–( U / kT) ), (2)

where U = –α H ²/2 potential energy of a single gas molecule with paramagnetic or diamagnetic properties located in an external inhomogeneous magnetic field

Oxygen is the paramagnetics, in connection with that, the magnetic polarization of the individual molecule is α-positive (+3396•10^–6), and the rest atmospheric gases are diamagnetics, including nitrogen ( N 2 = –12•10^–6), into which the magnetic polarization of molecules is negative. Therefore, the oxygen density increases in the region of a strong magnetic field, and the density of the nitrogen component decreases, in accordance with equation (2), and to accelerate the separation of oxygen, the temperature difference between the «paramagnetic» and «diamag-netic» sub channels is maintained using Azarov’s vortex air coolers [2, 18].

Therefore, it was decided to integrate the TMSA in SSPI, as well as to pair it with a household gas meter with an electromagnetic valve (Fig. 6), which, in addition to controlling from its sensor of household gas leakage, can also to shut off the supply of household gas by the controller’s signal of SSPI [14].

However, an analysis of the modified SSPI, which was modified in this way, showed that the model does not fully perform the fire and explosion protection of an apartment in a high-rise building /individual residential house, for the following reasons [19]:

– firstly, it is impossible to carry out the early detection of the DFFE with the leakage of household gas in the kitchen by one indoor unit installed in the living room;

– secondly, without disconnecting the power supply of the apartment / individual house at the time of the DFFE detection, it is impossible to guarantee that the spark from the electrical installation products will not cause an explosion from the leakage of household gas;

Fig. 6. Gas meter with solenoid valve:

1 – Keyboard; 2 – Liquid crystal indicator; 3 – GSM antenna connector; 4 – Analog-digital unit; 5 – Shut off valve; 6 – Card slot; 7 – Case

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Fig. 7. Planning of an individual house with a multi SSPI

– thirdly, the indoor unit located in the room in which the TMSA is installed does not have time to lower the oxygen concentration in all rooms of the apartment / individual house to a level at which the explosion or propagation of fire becomes impossible.

To eliminate the above disadvantages, taking into account the release of multi-split-systems with 2 or more internal units with one – external, the model of SSPI was modified as follows (Fig. 7):

– for the implementation of early detection and suppression of DFFE, one of the indoor units with TMSA and sensors of DFFE is installed in the kitchen, and it provides for the control of a triac module or magnetic starter, which is mounted in the electrical panel and turns off the power supply in the apartment/individual house, when it is detected by DFFE;

– to provide continuous work of all the internal blocks (with sensors and TMSA), including those installed in the other rooms, when power is lost or turned off, a battery with an appropriate converter is installed in each of them, ensuring the operation of internal blocks, when power is lost and its charging, when power is available [19].

CONCLUSION

«Intellectualization» of multi-split-system by nanotechnology for the detection and suppression of DFFE, allows you to create a reliable and autonomous system protect of fire and explosion in an apartment in a high-rise residential building or in an individual house [6, 11, 19]. Moreover, the invention of a magnetic refrigerator [20] suggests that nanotechnology for magnetocaloric cooling will allow it to be integrated into the internal blocks in the future and to «get rid of» the external blocks that spoil the building facades.

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ВВЕДЕНИЕ

С егодня практически в каждом жилом доме или квартире (рис. 1) используются сплит-системы, которые создают комфортные условия пребывания в помещениях, где установлен внутренний блок.

Не требует особых доказательств, что никакие юридические законы, технические требования и правила не могут предвосхитить ежеминутно изменяющуюся опасность объектов техносферы (пожарную, электрическую, механическую и т.д.) и окружающей нас среды (геосферы, биосферы, атмосферы и т.д.). Только мониторинг, т.е. применение технических и программных средств, следящих и своевременно предупреждающих об увеличении опасности выше допустимого уровня, могут изменить существующую мировую тенденцию роста аварий, пожаров и других чрезвычайных ситуаций (ЧС), а также потерь от них [1].

Статистические исследования пожаров на Юге России за последние 15 лет показали, что наибольшее количество пожаров (70%) происходит в жилом

Рис. 1. Сплит-системы в многоэтажном (а) и индивидуальном (б) жилом доме

Рис. 2. Статистика пожаров по местам их возникновения на Юге России

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 3. Гистограмма причин и источников пожаров и взрывов в жилом секторе Юга России

секторе, 42,41% из которых возникает в комнатах, кухнях, коридорах и туалетных комнатах квартир и индивидуальных домов (рис. 2) по газо-электротехническим причинам и источникам их возникновения (рис. 3), а также из-за неосторожного обращения с огнем [2].

Как следует из гистограммы (рис. 3), от печей, бытовых электроприборов и неосторожного обращения с огнем возникает около 75% пожаров, в т.ч. около половины из них – по электротехническим причинам [1, 2].

Следовательно, если превратить бытовые электроприборы (телевизоры, холодильники, кондиционеры и т.д.) в автономные пожарные извещатели, то появляется возможность обнаружить 65,93% пожаров в жилом секторе на ранней стадии , а, следовательно, уменьшить наполовину последствия от них [2, 3], то есть:

– сократить 41,9% прямого материального ущерба, – сохранить неповрежденными 33,7% площадей,

– предотвратить уничтожение 31,9% площадей.

Нанотехнологии интеллектуализации

Разработки нанотехнологий «интеллектуализации бытовых электроприборов» на предмет обнаружения пожароопасных отказов в них и контроля за опасными факторами пожара и взрыва (ОФПВ) в помещениях, где они установлены, были начаты 15 лет назад (для холодильников, телевизоров, электросчетчиков и т.д.) путем разработки и применения в них дымовых пожарных извещателей и модулей термоэлектронной защиты, которые предотвращали их собственное возгорание отключением от электросети и обеспечивали оповещение по радиоканалу пожарной службы в случае возникновения пожара [1–10].

Использование указанных нанотехнологий в сплит-системах для этих целей является наиболее эффективным по следующим причинам [11–14]: – во-первых, внутренний блок сплит-системы

«прокачивает через себя» воздух из помещения, где он установлен, как это делают самые быстродействующие аспирационные пожарные извещатели (с помощью специальных трубопроводов, прокладываемых в каждое защищаемое помещение);

– во-вторых, работой сплит-системой управляет контроллер, установленный во внутреннем блоке, к которому легко подключаются дымовой, тепловой и газовый датчики, а также GSM-модем, для оповещения аварийных служб;

– в-третьих, в выпускаемые сегодня внутренние блоки (потолочные, настенные и напольные) легко встроить термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ), выделяющий из «прокачиваемого воздуха» кислород (парамагнетик), который по дренажному каналу можно вывести наружу дома, а в защищаемое помещение вернуть азот

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ с остальными инертными газами (диамагнетиками), осуществляя подавление ОФПВ путем флегматизации и понижения концентрации кислорода до уровня, при котором горение и взрыв невозможны, как это делают газовые установки пожаротушения.

Как следует из проведенных исследований [2, 5, 7, 11], такая модель сплит-системы пожарного извещателя (ССПИ) была создана и включала в себя защиту самого прибора от пожароопасных отказов с помощью модулей термоэлектронной защиты, а также установку дымового извещателя пожарного (ДИП) с GSM-модемом во внутреннем блоке ССПИ [12–14].

Было доказано (таб. 1, 2), что в этом случае при небольшом снижении технических ресурсов блоков сплит-системы их пожаробезопасные ресурсы увеличиваются на порядок и становятся соизмеримыми с их техническими ресурсами [2–8].

Так, для внутреннего блока было получено снижение технического ресурса до 10 лет, а увеличение пожаробезопасного – до 40 лет (табл. 1).

Таблица 1

Технический и пожаробезопасный ресурс внутреннего блока с защитой

Наименование изделия, блока, класса и типа ЭРЭ	Ср. значения в изделии				Ср. интенсивность в группе				Вероятность в группе
Наименование изделия, блока, класса и типа ЭРЭ	Темп-ра вос-плам.	Рек. нагр.	Выводов	Кол-во ЭРЭ	Отказов номин.	Отказов фактич.	Воспламенения	Пож. опас. отказов	Кор. замык.	Обрыва	Пробоя	Воспламенения	Распр-я огня	Пожара ЭРЭ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1.внутр блок, в т.ч.:	250,90			125		8,82E-06						2,79E-06		7,22E-09
диод	256,3	0,35	2	16	2,10E-07	2,92E-06	1,68E-08	2,54E-07	0,047	0,264	0,040	1,10E-06	2,22E-03	2,45E-09
резистор	253,0	0,55	2	58	4,50E-08	1,08E-06	1,87E-09	2,92E-08	0,027	0,192	0,000	1,23E-07	2,56E-04	3,14E-11
транзистор	316,1	0,35	3	11	8,40E-07	2,56E-06	4,20E-09	7,87E-07	0,077	0,227	0,230	2,76E-07	6,88E-03	1,90E-09
конденсатор	224,3	0,60	2	33	5,20E-08	7,06E-07	4,57E-09	1,45E-07	0,130	0,000	0,075	3,00E-07	1,27E-03	3,80E-10
оптрон	256,3	0,35	2	4	2,10E-07	7,30E-07	4,20E-09	6,35E-08	0,047	0,264	0,040	2,75E-07	5,56E-04	1,53E-10
дpоссель	316,1	0,80	8	1	1,00E-06	2,48E-07	2,27E-09	1,98E-07	0,500	0,100	0,300	1,49E-07	1,7E-03	2,59E-10
микросхема	368,7	0,85	14	1	1,30E-08	1,92E-08	5,56E-10	1,13E-08	0,370	0,240	0,220	3,64E-08	9,94E-05	3,62E-12
вентилятор	306,5	0,80	2	1	2,25E-06	5,51E-07	8,08E-09	4,41E-07	0,500	0,100	0,300	5,30E-07	3,86E-03	2,04E-09
Модуль термозащиты МТ-2, в т.ч.:		12		8,57E-07						2,04E-05		2,24E-09
– микросхемы	368,7	0,85	14	1	1,30E-08	1,92E-08	5,56E-10	1,13E-08	0,370	0,240	0,220	4,87E-06	9,94E-05	4,84E-10
– тиристоры	507,8	0,35	3	1	5,00E-07	1,18E-07	3,36E-10	1,02E-08	0,047	0,264	0,040	2,95E-06	8,97E-05	2,64E-10
– стабилитроны	256,3	0,35	2	1	2,10E-07	1,82E-07	1,05E-09	1,59E-08	0,047	0,264	0,040	9,20E-06	1,39E-04	1,28E-09
– резисторы	253,0	0,55	2	5	4,50E-08	9,34E-08	1,61E-10	2,52E-09	0,027	0,192	0,000	1,41E-06	2,21E-05	3,12E-11
– конденсаторы	224,3	0,60	2	2	5,20E-08	2,18E-08	1,41E-10	4,48E-09	0,130	0,000	0,075	1,24E-06	3,92E-05	4,86E-11
– разъемы	358,2	0,65	4	1	1,00E-06	1,90E-07	5,20E-11	1,81E-08	0,095	0,000	0,000	4,56E-07	1,58E-04	7,22E-11
– позистор	507,8	0,65	5	1	1,25E-06	2,32E-07	3,31E-11	2,20E-08	0,095	0,000	0,000	2,90E-07	1,93E-04	5,61E-11
Провода	232,5	0,65	1	12	1,50E-08	6,60E-08	9,41E-10	1,27E-08	0,192	0,027	0,000	6,17E-08	1,11E-04	6,85E-12
Монтажные соединения (пайки)	274,6	0,65	1	331	2,00E-08	1,60E-06	2,49E-08	8,02E-07	0,400	0,400	0,100	1,63E-06	7,01E-03	1,14E-08
Всего по блоку:				149		1,13E-05						2,49E-05		2,09E-08
Стандартное отклонение						8,7E-07								2,7E-09
Безотказность / пожарная устойчивость:			0,89843329				0,99999998
Технический / пожа-ро-безопас-ный ресурс, лет:			9,34	- : -	10,89				42,4	- : -	54,9

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 2

Технический и пожаробезопасный ресурс внешнего блока с защитой

Наименование изделия, блока, класса и типа ЭРЭ	Ср. значения в изделии				Ср. интенсивность в группе				Вероятность в группе
Наименование изделия, блока, класса и типа ЭРЭ	Темп-ра вос-плам.	Рек. нагр.	Выводов	Кол-во ЭРЭ	Отказов номин.	Отказов фактич.	Воспламенения	Пож. опас. отказов	Кор. замык.	Обрыва	Пробоя	Воспламенения	Распр-я огня	Пожара ЭРЭ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1. внешний бл, в т.ч.:	255,59			181		1,03E-05						3,86E-06		2,03E-07
Резистор	253,0	0,55	2	86	4,50E-08	1,61E-06	2,77E-09	4,34E-08	0,027	0,192	0,000	2,57E-07	3,80E-04	9,78E-11
Конденсатор	224,3	0,60	2	63	5,20E-08	1,70E-06	1,10E-08	3,48E-07	0,130	0,000	0,075	1,02E-06	3,04E-03	3,10E-09
Транзистор	316,1	0,35	3	7	8,40E-07	1,63E-06	2,67E-09	5,01E-07	0,077	0,227	0,230	2,48E-07	4,38E-03	1,09E-09
Диод	256,3	0,35	2	13	2,10E-07	2,37E-06	1,36E-08	2,06E-07	0,047	0,264	0,040	1,27E-06	1,81E-03	2,29E-09
позистор	507,8	0,65	5	7	1,25E-06	1,64E-06	2,34E-10	1,56E-07	0,095	0,000	0,000	2,17E-08	1,36E-03	2,96E-11
реле	507,8	0,65	5	1	1,25E-06	2,73E-07	3,89E-11	2,59E-08	0,095	0,000	0,000	3,61E-09	2,27E-04	8,21E-13
оптрон	256,3	0,35	2	3	2,10E-07	5,47E-07	3,15E-09	4,76E-08	0,047	0,264	0,040	2,92E-07	4,17E-04	1,22E-10
вентилятор	306,5	0,80	2	1	2,25E-06	5,51E-07	8,08E-09	4,41E-07	0,500	0,100	0,300	7,50E-07	3,86E-03	2,89E-09
Модуль термозащиты МТ-1, в т.ч.:				13		1,21E-06						2,07E-07		1,05E-10
– транзисторы	316,1	0,35	3	2	8,40E-07	4,66E-07	7,64E-10	1,43E-07	0,077	0,227	0,230	7,09E-08	1,25E-03	8,89E-11
– стабилитроны	256,3	0,35	2	1	2,10E-07	1,82E-07	1,05E-09	1,59E-08	0,047	0,264	0,040	9,74E-08	1,39E-04	1,36E-11
– резисторы	253,0	0,55	2	7	4,50E-08	1,31E-07	2,26E-10	3,53E-09	0,027	0,192	0,000	2,09E-08	3,09E-05	6,48E-13
– конденсаторы	224,3	0,60	2	1	5,20E-08	1,09E-08	7,06E-11	2,24E-09	0,130	0,000	0,075	6,56E-09	1,96E-05	1,29E-13
– разъемы	358,2	0,65	4	1	1,00E-06	1,90E-07	5,20E-11	1,81E-08	0,095	0,000	0,000	4,83E-09	1,58E-04	7,64E-13
– реле	507,8	0,65	5	1	1,25E-06	2,34E-07	6,39E-11	2,22E-08	0,095	0,000	0,000	5,93E-09	1,95E-04	1,15E-12
Провода	232,5	0,65	1	7	1,50E-08	3,85E-08	5,49E-10	7,39E-09	0,192	0,027	0,000	5,09E-08	6,48E-05	3,30E-12
Монтажные соединения (пайки)	274,6	0,65	1	405	2,00E-08	3,59E-06	1,33E-07	1,79E-06	0,400	0,400	0,100	1,24E-05	1,56E-02	1,93E-07
Всего по блоку:				201		1,52E-05								3,95E-07
Стандартное отклонение						1,0E-06								4,7E-08
Безотказность / пожарная устойчивость:			0,86794895				0,99999956
Технический / пожа-ро-безопас-ный ресурс, лет:			7,06	- : -	8,06				2,26	- : -	2,87

Рис. 4. ТМСВ:

а) – единичный виток;

б) – сепаратор в сборе

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 5. Схема расположения магнитов, охладителей и наноперегородки

Для внешнего блока технический ресурс уменьшился до 8 лет, а пожаробезопасный ресурс увеличился до 3 лет (табл. 2).

Учеными Ростовского государственного университета в рамках Гранта по безопасности автотранспорта [15] была разработана нанотехнология термомагнитной сепарации воздуха [16], и на термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ) был получен патент РФ на изобретение [17].

ТМСВ представлял собой трубу, свернутую в спираль (рис.4), на внешней стороне которой были установлены постоянные магниты, а на внутренней – вихревые охладители Азарова [18].

Вдоль канала ТМСВ была установлена наноперегородка из пористого алюминия (рис. 5), разделяющая его на «парамагнитный» (кислородный) и «диамагнитный» подканалы (с инертными газами – азот, углекислый газ и др.) и препятствующая обратной диффузии разделяемых газов [15, 17].

ТМСВ, являющийся в данном случае «наногенератором инертного газа», базируется на уравнении движения газа (уравнение Эйлера) в магнитном поле, через ν – поле вектора скоростей газа, его плотность – ρ и давление – p , α – магнитную поляризуемость и Н – напряженность магнитного поля [16, 17]:

ρ•(∂ν/∂ t+ (ν•V)•ν) =

– grad ( p )–ρ• grad (–(α H ²/2 m) ). (1)

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

ρ = ρ₀exp(α H ²/2 kT) = ρ₀exp(–( U / kT) ), (2)

где U = –α H ²/2 – потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара– или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.

Кислород является парамагнетиком, в связи с чем магнитная поляризация отдельной молекулы α – положительна (+3396•10^–6), а остальные атмосферные газы являются диамагнетиками, в т.ч. азот ( N 2 = –12•10^–6), у которых магнитная поляризация молекул отрицательна. Поэтому плотность кислорода возрастает в области сильного магнитного поля, а плотность азотной компоненты уменьшается в соответствии с уравнением (2), а для ускорения отделения кислорода между «парамагнитным» и «диамагнитным» подканалами поддерживается разность температур с помощью вихревых воздухоохладителей Азарова [2, 18].

Поэтому было решено интегрировать ТМСВ в ССПИ, а также осуществить его сопряжение со счетчиком на бытовой газ с электромагнитным клапаном (рис. 6), который, помимо управления им от собственного датчика утечки газа, может перекрыть подачу газа и по сигналу контроллера ССПИ [14].

Однако анализ модифицированной таким образом ССПИ показал, что модель не выполняет в полном объеме пожаро-взрывозащиту квартиры в многоэтажном здании/индивидуальном жилом доме, по следующим причинам [19]:

– во-первых, одним внутренним блоком, который устанавливается в жилой комнате, невозможно осуществить раннее обнаружение опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) при утечке бытового газа на кухне;

– во-вторых, без отключения электроснабжения квартиры/индивидуального дома в момент обнаружения ОФПВ невозможно гарантировать, что

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 6. Газовый счетчик с электромагнитным клапаном

от искры в электроустановочных изделиях взрыв от утечки бытового газа не произойдет;

в-третьих, расположенный в комнате внутренний блок, в котором установлен ТМСВ, не успевает понизить концентрацию кислорода во всех помещениях квартиры/индивидуального дома до уровня, при котором взрыв или распространение огня становятся невозможными.

Для устранения указанных выше недостатков, принимая во внимание выпуск мульти сплит-систем с 2-я и более внутренними блоками при одном внешнем, модель ССПИ была доработана следующим образом (рис. 7):

– для осуществления раннего обнаружения и подавления ОФПВ один из внутренних блоков с ТМСВ и датчиками ОФПВ устанавливается

Рис. 7. Планировка индивидуального дома с мульти ССПИ

PROBLEMS OF USING NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ на кухне, и в нем предусматривается управление симисторным модулем или магнитным пускателем, который монтируется в электрощите и отключает электроснабжение в квартире/индиви-дуальном доме при обнаружении ОФПВ;

для того, чтобы все внутренние блоки (с датчиками и ТМСВ), в т. ч. в других комнатах продолжали работать при пропадании или отключении электроэнергии, в каждый из них встраивается аккумулятор с соответствующим преобразователем, обеспечивающим работу внутреннего блока при пропадании электроэнергии и его зарядку при ее наличии [19].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

«Интеллектуализация» мульти сплит-системы нанотехнологиями обнаружения и подавления ОФПВ позволяет создать надежную и автономную систему пожаровзрывозащиты квартиры в многоэтажном жилом здании или в индивидуальном доме [6, 11, 19]. Более того, изобретение магнитного холодильника [20] дает основание утверждать, что нанотехнология магнитокалорического охлаждения позволит в будущем интегрировать его во внутренние блоки и «навсегда избавиться» от внешних блоков, портящих фасады зданий.

Список литературы «Интеллектуальная» система вентиляции и кондиционирования воздуха в квартирах многоэтажных зданий и в индивидуальных жилых домах с нанотехнологиями защиты от пожаров и взрывов

Богуславский Е.И., Белозеров В.В., Богуславский Н.Е. Прогнозирование, оценка и анализ пожарной безопасности. – Ростов н/Д: РГСУ, 2004. – 151с.
Белозеров В.В. Методы, модели и средства автоматизации управления техносферной безопасностью: дис. … на соиск. ст. д-ра тех. наук. – М.: АГПС МЧС России, 2012. – 422 с.
Белозеров В.В., Тетерин И.М., Топольский Н.Г. Модульные системы безопасности электроприборов // Технологии техносферной безопасности. – 2005. – № 4. – 3 с. – http://academygps.ru/ttb.
Белозеров В.В., Прус Ю.В., Топольский Н.Г., Тетерин И.М. Интеллектуализация систем безопасности электротехнических устройств // Проблемы управления безопасностью сложных систем: мат-лы 13-й междунар. конф. – М.: ИПУ РАН, 2005. – С. 121–125.
Belozerov V.V., Oleinikov S.N. About synergetic management of fire safety of living // European Science and Technology: materials of the international research and practice conference – Wiesbaden, Germany, 2012., р. 180–185.
Белозеров В.В., Борков П.В., Кобелева С.А., Клышников А.А., Олейников С.Н., Насыров Р.Р., Даминев Р.Р. Новые технологии и материалы в производстве и строительстве: вопросы проектирования, разработки и внедрения. – М.: Издательство «Перо», 2012. – 123 с.
Кулягин И.А. Анализ эксплуатационного и пожаробезопасного ресурсов сплит-систем с модулем термоэлектронной защиты // «Студенческий научный форум–2018»: Материалы VIII Международной студенческой электронной научной конференции. – URL: https://scienceforum.ru/2018/article/2018008532.
ГОСТ 12.1.004. Пожарная безопасность. Общие требования. – М.: Изд. стандартов, 1992. – 77 с.
Баканов В.В. Дымовой пожарный извещатель // Патент РФ на изобретение № 2273886. – Бюл. № 10. – 2006.
Мисевич И.З. Дымовой пожарный извещатель // Патент РФ на изобретение № 2273887. – Бюл. № 10. – 2006.
Кулягин И.А. Модель сплит-системы-пожаровзрывоизвещателя // Инновации и инжиниринг в формировании инвестиционной привлекательности региона: сборник научных трудов II Открытого международного научнопрактического форума. – Ростов н/Д: ДГТУ, 2017. – НП «Единый региональный центр инновационного развития Ростовской области». – С. 372–379.
Кулягин И.А. Модель интеллектуализации сплит-систем для обеспечения пожарной безопасности // Международный студенческий научный вестник – 2017. – № 5-1. – С. 120–122.
Кулягин И.А. Интеллектуализация безопасности электротехнических установок (на примере сплит-систем) // Электроника и электротехника. – 2018. – № 1. – С. 19–26. – DOI: 10.7256/2453-8884.2018.1.25832.
Кулягин И.А., Белозеров Вл.В. Автоматизация пожаровзрывозащиты жилого сектора с помощью сплит-систем // Электроника и электротехника. – 2018. – № 3. – С. 59–65. – DOI: 10.7256/2453-8884.2018.3.27744.
Белозеров В.В., Бушкова Е.С., Денисенко П.Ф., Кравченко А.Н., Пащинская В.В. Модель сепарации и подавления токсичности автотранспортных средств // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды. – 2001. – № 5. – С. 104–107.
Белозеров В.В., Видецких Ю.А., Викулин В.В., Гаврилей В.М., Мешалкин Е.А., Назаров В.П., Новакович А.А., Прус Ю.В. «БАКСАН-ПА»: автомобиль скорой пожарной помощи // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 4. – С. 87–89.
Белозеров В.В., Босый С.И., Новакович А.А., Толмачев Г.Н., Видецких Ю.А., Пирогов М.Г. Способ термомагнитной сепарации воздуха и устройство для его осуществления // Патент РФ 2428242. – 2011. – Бюл. № 25.
Азаров А. И. Конструктивно–технологическое совершенствование вихревых воздухоохладителей // Технология машиностроения. – 2004. – N 3. – С. 56–60.
Абросимов Д.В., Белозеров В.В., Тихомиров С.А., Филимонов М.Н. Способ пожаровзрывозащиты индивидуальных жилых домов и квартир с помощью сплит-систем // Патент РФ 2703884 от 22.10.2019. – Бюл. № 30.
Бучельников В.Д., Денисовский А.Н., Николенко В.В., Таскаев С.В., Чернец И.А. Магнитокалорический рефрижератор // Патент РФ 2454614 МПК F25B. – 2012. – Бюл. № 18.

Еще

Статья научная