RU2033217C1

RU2033217C1 - Sprayer for fine spraying of gas-and-liquid fire-extinguishing mixture with probable solid reacting additives

Info

Publication number: RU2033217C1
Application number: RU93034081A
Authority: RU
Inventors: В.И. Лифар; М.Т. Будовский; Ю.А. Васильев
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Энерготехника"
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1995-04-20

Abstract

FIELD: fire fighting technique. SUBSTANCE: sprayer has cylindrical housing 1 with outlet hole and screw feeder 3 arranged inside it; feeder 3 has multiple-start threads 4. Similar threads 2 are additionally made on inner surface of housing 1. Threads 2 and 4 have varying pitch reducing towards outlet hole. Threads are fastened together at tops of their fins. Screw feeder 3 is provided with taper tips 5 forming the jet of gas-and-liquid flow. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к быстродействующим средствам тушения пожаров потоком смеси инертных газов и тонкораспыленного огнегасительного твердого и/или жидкого вещества. The invention relates to high-speed means of extinguishing fires by a stream of a mixture of inert gases and a finely dispersed extinguishing solid and / or liquid substance.

Известны устройства для тушения пожаров, содержащие емкости с газом и жидкостью, систему их подачи под давлением, смесительное устройство и распылитель в виде сопла. В этих устройствах чем меньше потери давления при смешении потоков, каплеобразовании и формировании факела распыла, тем эффективнее их воздействие в процессе пожаротушения. К ним относится распылитель, выполняющий функции смесителя и диспергатора для получения тонкораспыленной жидкостной струи. Он содержит корпус и вкладыш с расширяющейся и сужающейся частями, заканчивающийся соплом. Газ и жидкость подаются по трубопроводу во вкладыш, где капли, соударяясь с поверхностью, дробятся в газовом потоке внутри проточной части и выбрасываются из сопла в виде тонкораспыленной газожидкостной струи. Known devices for extinguishing fires containing containers with gas and liquid, a system for supplying them under pressure, a mixing device and a nozzle in the form of a nozzle. In these devices, the smaller the pressure loss when mixing flows, droplet formation and the formation of a spray pattern, the more effective their effect in the fire fighting process. These include a spray that acts as a mixer and dispersant to produce a finely dispersed liquid jet. It contains a housing and an insert with expanding and tapering parts, ending with a nozzle. Gas and liquid are piped into the liner, where droplets, colliding with the surface, are crushed in the gas stream inside the flow part and are ejected from the nozzle in the form of a finely atomized gas-liquid jet.

Однако высокая скорость потока вызывает потери давления в подводящем патрубке перед внезапным расширение и сужением потока для организации дробления капель и перемешивания. Кроме того, с увеличением объемного расхода через распылитель высокоскоростное ядро потока будет проникать в сопло, не участвуя в процессе диспеpгирования, что ограничивает область применения устройства. Процесс диспеpгирования связан с возникновением поперечной скорости в потоке, и чем больше эта скорость по отношению к осевой, тем больше турбулизация двухфазного потока, его перемешивание и дробление капель. Вместе с тем время пребывания в этой зоне мало, и с увеличением начальной неоднородности газожидкостной смеси в подводящем патрубке эффективность устройства снижается. However, a high flow rate causes pressure loss in the inlet pipe before the sudden expansion and contraction of the flow to organize droplet crushing and mixing. In addition, with an increase in the volume flow through the atomizer, a high-speed flow core will penetrate the nozzle without participating in the dispersion process, which limits the scope of the device. The dispersion process is associated with the emergence of a transverse velocity in the flow, and the higher this velocity relative to the axial velocity, the greater the turbulization of the two-phase flow, its mixing, and droplet crushing. However, the residence time in this zone is short, and with an increase in the initial heterogeneity of the gas-liquid mixture in the inlet pipe, the efficiency of the device decreases.

Известно, что насыщение кавитирующей жидкости газом приводит к эмульгированию трудноперемешиваемых и вязких жидкостей и диспергированию твердых включений в жидкой среде за счет макро- и микро-вихрей большой интенсивности, возникающих при схлопывании парогазовых пузырьков и каверн, а также за счет возникновения ударных волн, усиливающих кавитационно-кумулятивное воздействие на двухфазную смесь, в которой скорость звука достигается при 15-30 м/с. It is known that saturation of a cavitating liquid with gas leads to emulsification of difficultly mixed and viscous liquids and dispersion of solid inclusions in a liquid medium due to macro- and micro-vortices of high intensity arising from the collapse of vapor-gas bubbles and cavities, as well as due to the appearance of shock waves that enhance cavitation -cumulative effect on a two-phase mixture in which the speed of sound is achieved at 15-30 m / s.

Недостаток такого устройства малое время пребывания жидкости в зоне ударных явлений, что снижает расходонапряженность устройства и увеличивает его габариты. The disadvantage of such a device is the short residence time of the liquid in the zone of shock phenomena, which reduces the flow rate of the device and increases its size.

Известен центробежный распылитель с дроблением потока на капли вне проточной части за счет аэродинамических сил. Он предназначен для подачи топлива в камеру сгорания и содержит цилиндрический корпус с выходным отверстием и соосно установленным внутри шнеком. Known centrifugal atomizer with crushing the stream into droplets outside the flow part due to aerodynamic forces. It is designed to supply fuel to the combustion chamber and contains a cylindrical body with an outlet and an auger coaxially mounted inside.

Подача газа на вход позволяет регулировать расход жидкости за счет изменения плотности смеси, однако перед входом газ должен быть тщательно перемешан с жидкостью, а объем газовых пузырьков должен быть достаточно мал, чтобы не произошла сепарация во вращающемся потоке. Другим недостатком являются малая дальнобойность и значительные потери давления, связанные с центростремительным движением вращающегося потока от шнека к соплу. Кольцевая струя, истекающая из сопла, быстро распадается на капли, уносимые от оси, большой тангенциальной составляющей скорости, тогда как газ сепарируется к центру и не сопровождает капли в полете к очагу горения. The gas supply to the inlet allows you to adjust the flow rate of the liquid by changing the density of the mixture, however, before entering the gas must be thoroughly mixed with the liquid, and the volume of gas bubbles must be small enough so that there is no separation in a rotating stream. Another disadvantage is the short range and significant pressure loss associated with the centripetal movement of the rotating flow from the screw to the nozzle. The annular jet flowing out of the nozzle quickly disintegrates into droplets carried away from the axis, a large tangential component of the velocity, while the gas is separated to the center and does not accompany the droplets in flight to the burning center.

Цель изобретения повышение эффективности устройства за счет тонкого диспергирования газожидкостных смесей в проточной части распылителя и увеличение дальнобойности струи мелкодисперсной влаги и насыщенного парами жидкости охлажденного несущего газа с высокой проникающей способностью в полости горящего объекта при минимальных потерях давления. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the device due to the fine dispersion of gas-liquid mixtures in the flow part of the atomizer and to increase the range of the jet of finely dispersed moisture and cooled carrier gas saturated with liquid vapor with high penetration in the cavity of a burning object with minimal pressure loss.

Решение этой задачи позволяет более эффективно использовать добавку газа и перепад давления для создания направленного высокоскоростного холодного факела аэрозоли, противодействующего движущимся навстречу продуктам сгорания. Устройство может использоваться и для тушения замкнутых объемов, благодаря быстрому испарению капель жидкости, размер 5.10 мкм, и большому паросодержанию в потоке. Возможность распыления гидрореагирующего порошка расширяет функциональные возможности устройства, благодаря использованию вихревой системы в качестве реакционной зоны с большим временем пребывания. The solution to this problem allows more efficient use of gas addition and pressure drop to create a directional high-speed cold aerosol plume that counteracts towards the combustion products. The device can also be used to extinguish confined volumes, due to the rapid evaporation of liquid droplets, size 5.10 microns, and a large vapor content in the stream. The ability to spray hydroreactive powder expands the functionality of the device, thanks to the use of the vortex system as a reaction zone with a long residence time.

Для достижения указанной цели в распылителе, содержащем цилиндрический корпус с выходным отверстие и размещенным внутри шнеком, имеющим многозаходные винтовые нарезки, на внутренней поверхности корпуса дополнительно выполнены винтовые многозаходные нарезки, противоположно направленные нарезкам шнека. Нарезки корпуса и шнека имеют переменный шаг, уменьшающийся от входа к выходу корпуса и образуют с его осью на выходе угол 30-45^о. Шнек снабжен насадком для формирования дальнобойной струи, выполненным в виде усеченного полого конуса, обращенного вершиной к потоку, с углом 10^о и отверстием, сообщающим полость с потоком. Диаметр отверстия составляет 0,6-0,8 диаметра шнека.To achieve this goal, in a sprayer containing a cylindrical body with an outlet and placed inside the auger with multi-thread screw cuts, on the inner surface of the body are additionally made multi-screw thread cuts, oppositely directed to the screw threads. Slicing of the housing and the screw have a variable pitch, decreasing from the entrance to the output of the housing and form an angle of 30-45 ^about with its axis at the output. The screw is provided with a nozzle for the formation of long-range jets made in the form of a truncated hollow cone apex facing toward the flow, with an angle of ^about 10 and an opening communicating with the flow chamber. The diameter of the hole is 0.6-0.8 of the diameter of the screw.

В отличие от прототипа поток в предлагаемом устройстве не имеет вращения и потому газ может смешиваться жидкостью в любых соотношениях, не сепарируясь. Это позволяет регулировать тонкость, однородность и дальнобойность струи газожидкостного потока. Улучшение диспергирования внутри проточной части при том же перепаде давления происходит за счет того, что двухфазный поток, двигаясь по винтовому каналу шнека, периодически обтекает ребра винтовых нарезок корпуса. Другая часть потока, двигаясь по винтовым каналам корпуса, обтекает ребра нарезок шнека. В результате такого взаимодействия двух потоков в кольцевом пространстве между корпусом и шнеком возникает вихревая структура потока с пульсационной поперечной скоростью в вихрях, составляющей до 50% от осевой скорости, что интенсифицирует процессы смешивания и диспеpгирования. Unlike the prototype, the flow in the proposed device has no rotation and therefore the gas can be mixed with liquid in any proportions without separation. This allows you to adjust the fineness, uniformity and range of the gas-liquid stream. The dispersion inside the flow part is improved at the same pressure drop due to the fact that the two-phase flow, moving along the screw channel of the screw, periodically flows around the edges of the screw cuts of the body. Another part of the stream, moving along the screw channels of the body, flows around the ribs of the auger slices. As a result of the interaction of two flows in the annular space between the housing and the screw, a vortex flow structure arises with a pulsating transverse velocity in the vortices, up to 50% of the axial velocity, which intensifies the mixing and dispersion processes.

На выходе при сложении двух компланарных потоков, вращающихся в винтовых каналах в разные стороны, образуется сильно турбулизированная кольцевая струя с осевым направлением движения газа и жидкости, что обеспечивает высокую дальнобойность факела, по сравнению с прототипом. At the output, when two coplanar flows are rotated in opposite directions in the screw channels, a highly turbulent annular jet with the axial direction of gas and liquid movement is formed, which ensures high torch range in comparison with the prototype.

Посредством конического насадка газожидкостый поток отклоняется к центру и на срезе создается донное разряжение, сужающее струя к центру. Происходит заполнение мелкодисперсной фазой приосевой зоны, отчего дальнобойность струи возрастает в отличие от известных решений, где струя, увеличиваясь в сечении, вызывает резкий рост сопротивления, снижая тем самым дальнобойность потока. By means of a conical nozzle, the gas-liquid flow is deflected towards the center and a bottom vacuum is created at the cut, which narrows the jet toward the center. The near-axis zone is filled with a finely dispersed phase, which makes the range of the jet unlike the known solutions, where the jet, increasing in cross section, causes a sharp increase in resistance, thereby reducing the range of the flow.

В устройстве предусмотрено увеличение времени пребывания в зонах кавитации, чередующихся по длине с зонами повышенного давления, что обеспечивает дробление на капли вязких жидкостей. The device provides for an increase in the residence time in cavitation zones, alternating in length with zones of increased pressure, which ensures crushing into droplets of viscous liquids.

Наличие в жидкой фазе твердых включений в известных устройствах приводит к загоранию жиклеров вследствие сепарации твердой фазы, тогда как в предлагаемом распылителе отсутствие закручивания потока и интенсивный поперечный перенос вещества позволяют псевдоожижать порошкообразное вещество газом и распыливать его кольцевой струей по направлению к горящему объекту со скоростью истечения газа. The presence of solid inclusions in the liquid phase in known devices leads to the ignition of the nozzles due to the separation of the solid phase, while the absence of swirling of the stream and the intensive transverse transfer of the substance in the atomizer of the invention make it possible to fluidize the powdery substance with gas and spray it in an annular stream towards a burning object with a gas flow rate .

На фиг.1 изображен распылитель пожаротушащей газожидкостной смеси с возможными твердыми реагирующими добавками; на фиг.2 развертка винтовых каналов, образованных нарезками; на фиг. винтовой канал корпуса вместе с прилегающими к нему ребрами нарезок шнека, разрез. Figure 1 shows a spray of a fire extinguishing gas-liquid mixture with possible solid reactive additives; figure 2 scan of the helical channels formed by slices; in FIG. the screw channel of the housing, together with the adjacent ribs of the auger slices, section.

Распылитель состоит из цилиндрического корпуса 1 с выходным отверстием. На внутренней поверхности его выполнены винтовые многозаходные нарезки 2 переменного шага. Внутри корпуса 1 соосно установлен шнек с винтовой многозаходной нарезкой 4 переменного шага и противоположно направленной нарезке 2 корпуса 1. Нарезка 2 и 4 скреплены между собой по вершинам их ребер пайкой или запресовкой. Шаг нарезок 2 и 4 постепенно уменьшается в направлении к выходу из корпуса 1. The sprayer consists of a cylindrical body 1 with an outlet. On the inner surface of it made screw multi-thread cutting 2 variable pitch. A screw with multi-threading thread 4 of variable pitch and opposite directional thread 2 of body 1 is coaxially installed inside the housing 1. Threads 2 and 4 are fastened together by soldering or pressing. The cutting step 2 and 4 gradually decreases towards the exit from the housing 1.

Со стороны выхода шнек снабжен коническим насадком 5 в виде полого усеченного конуса, обращенного вершиной к потоку газожидкостной смеси и имеющего открытую в сторону истечения потока цилиндрическую часть в виде полости Б с диаметром отверстия, составляющим 0,6.0,8 диаметра 3. Угол конуса насадка 5α составляет 10^о.On the outlet side, the auger is equipped with a conical nozzle 5 in the form of a hollow truncated cone, with its apex facing the gas-liquid mixture flow and having a cylindrical part open in the direction of flow out in the form of a cavity B with an opening diameter of 0.6.0.8 diameter 3. Angle of the cone nozzle 5α is 10 ^about .

В пространстве между корпусом 1 и шнеком 3 образованы винтовые каналы нарезок 2 и 4, показанные на фиг.2, где пунктирными линиями обозначены ребра нарезок 4 шнека 3, а сплошными линиями ребра нарезок 2 корпуса 1, составляющие на выходе из корпуса угол β равный 30.45^о с его осью. Взаимные пересечения нарезок 2 и 4 образуют в кольцевом пространстве ромбоидные ячейки А, в которых знаком (+) обозначены зоны повышенного давления, а знаком (-) зоны пониженного давления.In the space between the housing 1 and the screw 3, helical channels of slices 2 and 4 are formed, shown in FIG. 2, where dashed lines denote the ribs of the slices 4 of the screw 3, and the solid lines of the ribs of the slices 2 of the housing 1, making an angle β equal to 30.45 at the exit from the housing ^about with its axis. The mutual intersections of cuts 2 and 4 form rhomboid cells A in the annular space, in which the high pressure zones are indicated by the (+) sign, and the low pressure zones (-).

Изображенный на фиг.3 разрез канала корпуса 1 и прилегающих ребер нарезок 4 шнека 3 в одинаковой мере иллюстрирует расположение ребер нарезок 2 корпуса 1 при соответствующем разрезе вдоль винтового канала 4 шнека 3. Стрелками показаны направления обтекания ребер нарезок 2 и места образования парогазовых каверн с перемещающимися в потоке кавитационными пузырьками. The section of the channel 1 of the housing 1 and adjacent ribs of the cuts 4 of the screw 3 shown in FIG. 3 equally illustrates the location of the ribs of the cuts 2 of the housing 1 with the corresponding cut along the screw channel 4 of the screw 3. The arrows show the directions of flow around the ribs of the cuts 2 and the places of formation of the gas-vapor caverns with moving in a flow of cavitation bubbles.

Распылитель работает от системы подачи огнетушащего вещества следующим образом. The sprayer operates from the extinguishing agent supply system as follows.

Огнетушащая жидкость подается в распылитель вместе с газом под давлением не ниже 0,5 Мпа, где распределяется по винтовым каналам 2, 4 проточной части корпуса 1. Одна половина потока газожидкостной смеси, двигаясь по винтовому каналу корпуса 1, обтекает ребра нарезок 4 шнека 3. Другая половина потока, в своем движении по винтовому каналу шнека 3, обтекает ребра нарезок 2 корпуса 1. В результате взаимного проникновения указанных частей потока в ромбовидных ячейках А образуется устойчивая вихревая структура с пульсационной поперечной скоростью, достигающей 1/2 результирующей осевой скорости, которая возникает от сложения двух частей потока газожидкостной смеси. Fire extinguishing liquid is supplied to the atomizer along with gas at a pressure of at least 0.5 MPa, where it is distributed along the screw channels 2, 4 of the flowing part of the housing 1. One half of the gas-liquid mixture flowing along the screw channel of the housing 1 flows around the ribs of the cut 4 of the screw 3. The other half of the flow, in its movement along the screw channel of the screw 3, flows around the ribs of the cuts 2 of the housing 1. As a result of the mutual penetration of these parts of the flow in the diamond-shaped cells A, a stable vortex structure with a pulsating transverse velocity up to stigma 1/2 resulting axial velocity, which arises from the addition of two parts of the flow of gas-liquid mixture.

Вследствие происходящего вихревого обмена осуществляется интенсивное перемешивание фаз. А так как в каждой такой ячейке на ребрах возникает значительный градиент давления, в газожидкостной среде наблюдаются пульсации от периодического сжатия и расширения газовых пузырьков, что приводит к диспеpгированию вязкой жидкой фазы. Due to the occurring vortex exchange, intensive mixing of the phases occurs. And since in each such cell a significant pressure gradient arises on the ribs, pulsations from periodic compression and expansion of gas bubbles are observed in the gas-liquid medium, which leads to dispersion of the viscous liquid phase.

По мере продвижения к выходному отверстию корпуса 1 газожидкостный поток становится однородным по структуре, жидкостные капли в диаметре уменьшаются и частично испаряются, насыщая газ паром и снижая температуру смеси. As you move to the outlet of the housing 1, the gas-liquid flow becomes uniform in structure, liquid droplets in diameter decrease and partially evaporate, saturating the gas with steam and lowering the temperature of the mixture.

Снижение давления и рост скорости потока приводит к появлению в зонах пониженного давления на ребрах нарезок 2 и 4 кавитационных каверн. Последние заполняются парами жидкости и, разрушаясь, создают в потоке конденсирующиеся пузырьковые структуры, вызывающие при схлопывании в зонах повышенного давления эффект дробления вязкой жидкости. A decrease in pressure and an increase in the flow velocity leads to the appearance of cavitation cavities in the zones of reduced pressure at the ribs of cuts 2 and 4. The latter are filled with liquid vapor and, collapsing, create condensing bubble structures in the flow, which, when collapsing in high pressure zones, cause the effect of crushing of a viscous liquid.

В качестве огнегасящего вещества используется вода с различными флегматизирующими добавками вместе с воздухом или жидким газом, обладающим пожаротушащими свойствами, а также порошкообразное вещество, псевдоожиженное газом в самом распылителе. As an extinguishing agent, water with various phlegmatizing additives is used together with air or liquid gas having fire extinguishing properties, as well as a powdery substance, fluidized by gas in the atomizer itself.

Увеличение доли пара и уменьшение размеров капель жидкости создают условия, когда в двухфазном потоке скорость звука снижается, достигая значения 15.30 м/с, за счет чего в местах сужения и расширения потока возникают ударные волны, производящие дополнительное дробление жидкости. An increase in the proportion of steam and a decrease in the size of liquid droplets create conditions when the speed of sound decreases in a two-phase flow, reaching a value of 15.30 m / s, due to which shock waves arise in the places of narrowing and expansion of the flow, producing additional crushing of the liquid.

Чем выше доля газа и его осевая скорость, тем больше дальнобойность факела распыливаемой жидкости. При торможении угол раствора факела увеличивается, при этом скорость капель падает, так как снижается скорость трансформирующего их газа. The higher the proportion of gas and its axial velocity, the greater the range of the spray torch. When braking, the angle of the torch solution increases, while the speed of the drops decreases, since the speed of the gas transforming them decreases.

Формирование струи потока происходит в насадке 5, где создаваемая кольцевая струя при сpыве с насадка 5 создает разряжение, стабилизирующееся в полости Б, за счет чего угол раствора кольцевой струи уменьшается, а капли и газ заполняют приосевое пространство, увеличивая дальнобойность факела. The formation of a flow jet occurs in nozzle 5, where the created annular jet when it breaks off nozzle 5 creates a vacuum that stabilizes in cavity B, due to which the angle of the ring jet decreases, and droplets and gas fill the axial space, increasing the range of the torch.

Таким образом, на выходе из насадка 5 в направлении очага горения движется высокоскоростной поток газа с однородными каплями жидкости размером менее 10 мкм, увлекаемыми в осевом направлении вместе с газом аэродинамической силой и охлаждающими при испарении окружающий воздух и продукты сгорания. Thus, at the exit of the nozzle 5, a high-speed gas flow moves with homogeneous liquid droplets smaller than 10 μm in size in the direction of the combustion zone, which are axially carried along with the gas by aerodynamic force and cool the surrounding air and combustion products during evaporation.

Claims

A SPRAYER FOR A THIN SPRAY OF A FIRE EXTINGUISHING GAS-LIQUID MIXTURE WITH POSSIBLE SOLID REACTIVE ADDITIVES, containing a cylindrical body with an outlet and coaxially mounted inside a screw, equipped with multi-thread screw cuts, which are different from those that are additionally mounted on the cutting surface and the screws at the tops of their ribs, towards the exit of the gas-liquid flow, the step of cutting the body and the screw gradually decreases aetsya creating output angle cuts to the axis of the housing, equal to 30 ^o 45, at the end of the screw is designed as a hollow truncated cone apex facing toward the flow of the spray mixture with an angle of 10 ^o and the outlet port, constituting 0.6 0.8 screw diameters .