ZESPÓŁ AUTORSKI

Politechnika Świętokrzyska w Kielcach

dr inż. Jacek Wilk-Jakubowski

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Zgłaszany w ramach konkursu cykl 3 patentów, przyznanych w 2019 roku, stanowi odpowiedź na poszukiwanie nowych, innowacyjnych, bezpiecznych dla środowiska, a zarazem tanich metod gaszenia płomieni. Wynalazki te są konkurencyjne do tradycyjnych rozwiązań gaszenia pożarów, takich jak: woda, piana/płyn gaśniczy, proszki gaśnicze, dwutlenek węgla i inne gazy gaśnicze, piasek, czy gaśnice halonowe/z czterochlorkiem węgla – obecnie wycofywane z rynku ze względu na wysoką toksyczność. Obecnie do gaszenia płomieni najczęściej stosowanymi urządzeniami gaśniczymi są gaśnice wypełnione odpowiednio dobranym środkiem gaśniczym. Ponieważ wyczerpanie środka gaśniczego wiąże się z koniecznością jego ponownego uzupełnienia, a ta czasochłonna czynność odbywa się jedynie w wyznaczonych punktach, wielokrotne użycie tradycyjnych gaśnic jest stosunkowo problematyczne. Ponadto korzystanie z typowych gaśnic często skutkuje uszkodzeniem sprzętu lub elementów wyposażenia oraz powstawaniem trudnych do usunięcia plam. Znaczną niedogodnością jest także krótki czas pracy klasycznej gaśnicy, konieczność przeprowadzania prób ciśnieniowych zbiorników (1x10 lat), jak również aspekt środowiskowy (zanieczyszczenie środowiska). Poza tym tradycyjne gaśnice nie nadają się do uniwersalnego stosowania przy gaszeniu pożarów różnego rodzaju materiałów. Niewątpliwym atutem technologii akustycznej jest fakt, że fale akustyczne przechodzą zarówno przez ciała stałe, ciekłe i gazowe.
Według raportu Polskiej Grupy Wspierania Innowacyjności technologia ta może stanowić uzupełnienie automatycznych systemów gaśniczych/alarmowych w specyficznych pomieszczeniach takich jak:
• Serwerownie;
• Skarbce;
• Ładownie statków;
• Ładownie samolotów;
• Wagony pociągów;
• Magazyny;
• Zbiorniki cieczy palnych;
• Hale produkcyjne i jakiekolwiek pomieszczenia produkcyjne narażone na wysokie prawdopodobieństwo pożaru.
Według raportu spectrum branż, w jakich można zastosować technologię, jest jeszcze większe, przede wszystkim są to branże:
• Budowlana;
• Transportowa;
• Elektroniczna;
• Wydobywcza;
• Chemiczna;
• Pożarnicza;
• Wszystkie inne branże narażone na pożary.

ISTOTA WYNALAZKU

Możliwość gaszenia płomieni falami akustycznymi stała się faktem oraz stanowi nową technologię. Zgłaszane w ramach konkursu trzy wynalazki wykorzystują ruch cząsteczek zawartych w powietrzu, którego czynnikiem sprawczym są drgania membran głośników niskotonowych, wskutek generacji odpowiednio zmodulowanych i wzmocnionych sygnałów akustycznych o określonej częstotliwości i mocy. Kuliste fale dźwiękowe zwiększają prędkość ruchu cząsteczek zawartych w powietrzu na krawędzi płomieni, przekładając się na zredukowanie obszaru, na którym następuje proces spalania. W konsekwencji płomienie są osłabiane, aż do ich całkowitego ugaszenia. Drogą eksperymentu wykazano, że drgania fali akustycznej prowadzą do zaburzenia ruchu cząsteczek powietrza. Kiedy membrana głośnika wychyla się z położenia równowagi, powoduje ruch cząstek powietrza, które pomimo znikomej masy posiadają pewną bezwładność. W konsekwencji zagęszczenie cząstek skutkuje wzrostem ciśnienia. Jednocześnie rozpędzone cząstki przekazują swoją energię sąsiednim cząstkom powietrza, wprawiając je w ruch. Membrana po osiągnięciu pełnego wychylenia rozpoczyna wibrację w przeciwną stronę, wytwarzając przed sobą obszar rozrzedzonego powietrza (podciśnienia), wskutek czego cząstki powietrza zostają zawrócone. Generowane, zmodulowane oraz skupione fale akustyczne o niskiej częstotliwości i dużej mocy można skutecznie wykorzystywać do gaszenia pożarów różnych klas.
Niedogodnością znanych rozwiązań, nawet w przypadku wykorzystania promieniowania obu membran głośników niskotonowych, była konieczność użycia co najmniej dwóch zespolonych ze sobą paneli akustycznych z przytwierdzoną do nich odgrodą akustyczną. Z kolei wykorzystanie materiałów silnie pochłaniających fale akustyczne emitowane przez tylną powierzchnię membrany głośnika pozwalało zniwelować przy braku dostatecznej długości falowodu niekorzystny wpływ interferencji destruktywnej na proces gaszenia płomieni oraz oddziaływało korzystnie na pracę urządzenia poprzez redukcję niepożądanych wibracji. Jednakże w znanych obecnie rozwiązaniach materiały pochłaniające miały inne przeznaczenie, to jest służyły do zaabsorbowania możliwie największej części energii fal akustycznych emitowanych z tylnej powierzchni membrany źródła dźwięku. Tym samym zastosowanie materiałów pochłaniających fale akustyczne wykluczało dotychczas uzyskanie dodatkowego zysku energetycznego z tytułu pożytecznego wykorzystania energii fal akustycznych emitowanych z tylnej powierzchni membrany głośnika niskotonowego, poprzez skierowanie tego promieniowania w kierunku dodatkowego wylotu, ustawionego podobnie jak wylot główny, w kierunku źródła płomieni. Urządzenie, według wynalazku P.428615, umożliwia wytłumienie tylko tej niekorzystnej części energii, która nie została wykorzystana do gaszenia płomieni, to jest nie uległa odbiciu od panelu akustycznego w kierunku dodatkowego wylotu urządzenia, a przeniknęłaby przed panel akustyczny wpływając destruktywnie na fale akustyczne generowane przez przednią powierzchnię membrany głośnika oraz powodując drgania ścianek urządzenia.
Urządzenie, według wynalazku P.428002, stanowi odpowiedź na poszukiwanie nowatorskich metod gaszenia płomieni falami akustycznymi, używając do tego celu oprócz mocy akustycznej fal emitowanych przez przednie powierzchnie membran głośników, również mocy akustycznej fal emitowanych przez tylne powierzchnie membran głośników.
Urządzenie, według wynalazku P.427999, stanowi odpowiedź na poprawę skuteczności gaszenia płomieni w przypadku braku zgodności faz fal akustycznych emitowanych na wylocie urządzenia przez przednią i tylną powierzchnię membrany źródła dźwięku (niedogodnością znanych obecnie rozwiązań jest brak wykorzystania materiałów wytłumiających energię promieniowaną przez tylną powierzchnię membrany, co na skutek zjawiska interferencji destruktywnej, przekłada się na zmniejszenie mocy emitowanej fali). Dodatkowym mankamentem są zniekształcenia w przetwarzaniu głośnika oraz niekorzystne drgania ścianek obudowy urządzenia, które dzięki wynalazkowi można zminimalizować.
Każdy z wynalazków cechuje się między innymi:
(A) niższymi kosztami eksploatacji i gaszenia płomieni niż w przypadku tradycyjnych metod wykorzystujących zużywalne środki gaśnicze (proszki, piany, gazy);
(B) nieinwazyjnym charakterem działania (fale akustyczne nie są wytworem chemicznym), w odróżnieniu od obecnie stosowanych środków gaśniczych np. pianki gaśniczej czy wody, które mogą powodować zniszczenia i degradację środowiska (szczególnie halon jest niebezpieczny ze względu na niekorzystny wpływ na zdrowie ludzkie i z tego względu, zgodnie z wytycznymi UE, gaśnice halonowe mimo, że skuteczne są wycofywane z produkcji);
(C) brakiem konieczności podlegania cyklicznym próbom ciśnieniowym, które są obowiązkowe dla tradycyjnych gaśnic (1x10 lat);
(D) nieograniczonym czasem działania w stosunku do typowych gaśnic. Ponieważ urządzenie wykorzystuje odpowiednio wygenerowane fale akustyczne, wymagany jest jedynie dostęp akumulatorowy lub sieciowy do zasilania;
(E) tym, że urządzenie można zamontować na stałe np. na etapie budowy budynku lub konstrukcji pojazdu (np. w budynkach przemysłowych, zbiornikach cieczy i gazów palnych), w trudno dostępnych miejscach;
(F) tym, że system gaszenia z wykorzystaniem fal akustycznych można podłączyć do dźwiękowego systemu ostrzegania, zawierającego czujniki dymy i temperatury. Dzięki temu obecność człowieka podczas gaszenia wcale nie musi być wymagana;
(G) tym, że system gaszenia z wykorzystaniem fal akustycznych można podłączyć do tanich inteligentnych czujników. W tym zakresie prowadzone są prace z Technicznym Uniwersytetem w Bułgarii, czego efektem są m.in. wspólne publikacje naukowe. W praktyce wykorzystuje się sieci neuronowe do celów rozpoznawczych czy wystąpił pożar, jeśli tak – system akustyczny może zostać załączony automatycznie (zdalnie).
Poniżej wymieniono czynniki konkurencyjne na rynku przeciwpożarowym w odniesieniu do klasycznych rozwiązań:
• Typy gaszonych pożarów (ciał stałych, cieczy, gazów, itd.) przez substancję – im więcej rodzajów pożarów dana substancja jest w stanie ugasić tym lepiej (fale akustyczne przenikają zarówno przez ciała stałe, ciecze, jak i gazy);
• Oddziaływanie na sprzęty elektroniczne – w zależności od tego, w jakich warunkach będzie używana gaśnica, będzie to odgrywało kluczowe znaczenie;
• Pozostawianie zabrudzeń przez klasyczne środki gaśnicze w odróżnieniu od fal akustycznych;
• Szkodliwość tradycyjnych środków gaśniczych dla środowiska i zdrowia człowieka;
• Koszt tradycyjnych środków gaśniczych;
• Dostępność i napełnianie tradycyjnych środków gaśniczych;
• Jeżeli brana jest pod uwagę gaśnica podręczna to częstotliwość wymiany środka gaśniczego;
• Konieczność podlegania klasycznych gaśnic okresowym próbom ciśnieniowym;
• Możliwość stosowania rozwiązania w zautomatyzowanych systemach przeciwpożarowych lub gaśnicach podręcznych.
Metoda wykorzystująca propagację fal akustycznych, wydaje się zatem nie tylko równie skuteczna, ale również bezpieczniejsza, tańsza w eksploatacji i lepsza dla środowiska od sposobów tradycyjnych.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Technologia jest na IV poziomie gotowości technologicznej TRL, ponieważ zweryfikowano komponenty w warunkach laboratoryjnych na przestrzeni otwartej, a nie przeprowadzono w podobnej skali testów w pomieszczeniach zamkniętych (jako następny krok planowane są testy w pomieszczeniu zamkniętym). W zakresie propagowania innowacji nawiązano kontakt z innymi uczelniami i ośrodkami, zarówno krajowymi, jak i zagranicznymi. Z racji na innowacyjność i nowatorskość rozwiązania konkurencja rynkowa dla tych wynalazków nie istnieje. Konkurencją pośrednią, jak i potencjalnymi odbiorcami technologii będą producenci pozostałych rozwiązań gaśniczych. Patentem zainteresowanych jest kilka podmiotów.