RU2283676C1 - Устройство для генерации потока огнетушащего вещества - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к стационарна и мобильным установкам пожаротушения, в которых в качестве огнетушащего вещества используется вода с пенообразователем. Устройство для генерации потока огнетушащего вещества содержит ствол с проточным каналом осесимметричной формы, патрубок для подачи жидкости в проточный канал ствола, сопло, установленное на торцевой части ствола. Проточный канал сопла состоит из сужающегося в направлении течения потока входного участка конической или коноидальной формы и выходного участка цилиндрической формы. Устройство содержит средство для ввода раствора пенообразователя в проточный канал ствола и успокоитель смешанного потока жидкости и пенообразователя. В проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и успокоителем смешанного потока образована расширительная камера, в которой установлены, по меньшей мере, четыре направляющих элемента, выполненные в виде профилированных в направлении течения жидкости пластин, и осесимметричный направляющий элемент в виде трубки. Торцевые части направляющих элементов в виде пластин, обращенные к оси симметрии расширительной камеры, соединены с внешней поверхностью направляющей трубки, соосно размещенной в расширительной камере. Максимальный диаметр d_max и минимальный диаметр d_min входного участка проточного канала сопла, а также длина l_ц выходного цилиндрического участка проточного канала сопла выбираются из следующих условий: 2≤d_max/d_min≤14; d_max=D_k; d_min=d_ц; l_ц=(2÷10)d_ц, где D_к - диаметр расширительной камеры проточного канала ствола; d_ц - диаметр выходного участка проточного канала сопла. Внутренний диаметр D_тр направляющей трубки выбирается из условия: 0,1D_к≤D_тр≤0,4D_к. Длина l_тр направляющей трубки преимущественно выбирается равной длине l_п направляющих профилированных пластин в направлении течения жидкости в соответствии с условием: l_тр=l_п(3-5)D_тр. При использовании изобретения обеспечивается генерация дальнобойного высокоскоростного потока пенного огнетушащего вещества. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к средствам пожаротушения, а более конкретно к стационарным и мобильным установкам пожаротушения, в которых в качестве огнетушащего вещества используется вода с добавками пенообразователей.

Использование добавок пенообразователя в огнетушащих составах позволяет эффективно тушить очаги возгорания легковоспламеняющихся жидкостей за счет перекрытия доступа кислорода к поверхности горения. Кроме того, использование пенообразователей способствует охлаждению зоны газовыделения из легковоспламеняющейся жидкости, ингибированию химических реакций окисления в зоне горения и снижению интенсивности лучистого теплообмена.

В патенте US 5445226 (МПК А 62 С 31/12, опубликован 29.08.1995) описано устройство для генерации огнетушащего вещества, содержащее ствол с проточным каналом осесимметричной формы, патрубок для подачи жидкости в проточный канал ствола, сопло, установленное на торцевой части ствола, и средство для ввода раствора пенообразователя в проточный канал ствола.

Проточный канал сопла состоит из расширяющегося в направлении течения потока входного участка конической формы, выходного участка цилиндрической формы и камеры пенообразования. В стенке камеры пенообразования выполнены сквозные отверстия для эжекции воздуха.

Средство для ввода раствора пенообразователя в канал ствола включает две вставки, последовательно установленные в проточном канале ствола. Первая вставка выполнена с входным сужающимся в направлении течения жидкости осевым каналом конической формы. Осевой конический канал второй вставки выполнен расширяющимся в направлении течения жидкости. За плоскостью выходного отверстия первой вставки образована камера смешения жидкости и пенообразователя, ограниченная поверхностью цилиндрической стенки ствола и частью поверхности второй вставки.

Вторая вставка установлена таким образом, что между плоскостью ее входного отверстия и плоскостью выходного отверстия первой вставки образован кольцевой зазор. Патрубок для ввода раствора пенообразователя сообщен с камерой смешения со стороны ее боковой стенки. Подаваемая в ствол жидкость проходит по каналу первой конической вставки и, минуя зазор, поступает в канал второй конической вставки. В камере смешения вблизи зазора образуется область пониженного давления. Пенообразователь, поступающий в камеру смешения через кольцевой зазор между вставками, образует на стенках камеры тонкую пленку.

За счет эффекта эжекции пленка пенообразователя поступает в поток жидкости. Вследствие этого происходит предварительное смешение жидкости и пенообразователя. Далее смесь жидкости с пенообразователем направляется в смещенные друг относительно друга в азимутальном направлении щелевые каналы с острыми кромками. При прохождении раствора пенообразователя через систему каналов происходит интенсивное пенообразование. Далее смесь жидкости и пенообразователя поступает в камеру пенообразования, в которой процесс образования пены усиливается за счет смешения раствора с эжектируемым потоком воздуха.

Данное устройство позволяет тушить очаги возгорании классов "А" и "В", однако в процессе его работы не обеспечивается формирование высокоскоростной пенообразной струи. Генерируемый поток пены на выходе из сопла имеет большой поперечный размер и относительно небольшую скорость. Кроме того, необходимо отметить, что процесс пенообразования с помощью известного устройства сопровождается существенными потерями энергии струи жидкости на эжекцию пенообразователя и потока воздуха. В результате этих явлений снижается дальнобойность потока огнетушащего вещества.

Из патента US 2761516 (опубликован 04.09.1956) известно устройство для генерации потока огнетушащего вещества. Устройство содержит ствол с проточным каналом цилиндрической формы и патрубок для подачи жидкости в проточный канал ствола. Средство для ввода раствора пенообразователя в проточный канал ствола выполнено в виде центрального тела - патрубка, коаксиально установленного в канале. На торцевой части ствола установлено сопло, проточный канал которого состоит из сужающегося в направлении течения потока входного участка конической формы и выходного участка цилиндрической формы. Устройство также содержит расширительную камеру, расположенную между средством ввода раствора пенообразователя и входом в сопло.

Патрубок для подачи раствора пенообразователя выполнен в виде сужающегося сопла с выходным цилиндрическим участком, ориентированным в направлении течения генерируемого потока. В стенке ствола вблизи выходного отверстия сопла выполнены отверстия для эжекции воздуха, расположенные равномерно по периметру сечения проточного канала.

После подачи жидкости в проточный канал ствола в кольцевом канале у среза сопла образуется область пониженного давления. Вследствие этого воздух из окружающей среды эжектируется в полость проточного канала через отверстия, выполненные в стенке ствола. В результате интенсивного смешения потока раствора пенообразователя с эжектируемым воздухом образуется воздушно-механическая пена с крупным размером пузырьков. В процессе турбулентного течения через расширительную камеру поток жидкости преобразуется в пену с малым размером пузырьков. Сформированный в расширительной камере пенообразный поток поступает далее в канал выходного сопла ствола, в котором формируется компактный поток огнетушащего вещества.

Известное устройство позволяет генерировать потоки воздушно-механической пены, характеризующиеся высокой стабильностью. Однако следует отметить, что вследствие смешения огнетушащей жидкости с воздухом происходит существенное снижение плотности огнетушащего вещества. Кроме того, при прохождении через расширительную камеру происходит расширение пенообразного потока и его торможение вследствие трения о стенки протяженного проточного канала.

Таким образом, перед входом в выходное сопло ствола пенообразный поток имеет меньшую плотность и меньшую скорость по сравнению с характеристиками потока на срезе сопла подачи раствора пенообразователя. Данный фактор предопределяет снижение кинетической энергии пенообразного потока на выходе из сопла ствола и, вследствие этого, снижается дальнобойность генерируемого потока.

Отрицательное влияние на генерацию пенообразного потока оказывают также динамические колебания потока, которые возникают в процессе течения по проточному каналу ствола и по каналу расширительной камеры.

Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является устройство для генерации огнетушащего вещества, раскрытое в патенте US 2478998 (опубликован 16.08.1949). Устройство для генерации огнетушащего вещества содержит ствол с проточным каналом осесимметричной формы, патрубок для подачи жидкости в проточный канал ствола, сопло, установленное на торцевой части ствола, и средство для ввода раствора пенообразователя в проточный канал ствола. В состав устройства также входит успокоитель пенообразного потока, установленный в проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и входом в сопло. В проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и успокоителем смешанного потока образована расширительная камера. Проточный канал сопла состоит из сужающегося в направлении течения потока входного участка коноидальной формы и выходного участка цилиндрической формы.

Перед входом в проточный канал ствола установлен узел подачи жидкости и пенообразователя. В проточном канале узла установлено центральное тело конической формы, вершина которого обращена навстречу потоку жидкости. Между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью центрального тела образована кольцевая камера смешения, которая сообщена с системой подачи раствора пенообразователя через кольцевой зазор, образованный во внешней стенке проточного канала.

Успокоитель потока жидкости выполнен в виде двух пластин, расположенных параллельно направлению течения потока жидкости и перпендикулярно друг другу. В канале расширительной камеры перед успокоителем потока жидкости установлена перфорированная перегородка конической формы.

В процессе работы устройства жидкость под давлением подается в проточный канал ствола. В камере смешения в области кольцевого зазора образуется область пониженного давления. Вследствие этого пенообразователь эжектируется через кольцевой зазор и смешивается с потоком жидкости. Далее поток огнетушащей жидкости поступает в проточный канал ствола, где происходит механическое пенообразование за счет смешения жидкости с воздухом, эжектируемым из окружающей среды. Поток пенообразного огнетушащего вещества, проходя далее через отверстия перегородки, поступает в успокоитель потока жидкости и затем в канал выходного сопла.

При прохождении пенообразного потока через отверстия перегородки происходит снижение скорости течения огнетушащего вещества с целью исключения вихреобразования в потоке жидкости и выравнивание профиля скорости потока по сечению проходного отверстия расширительной камеры. В сужающемся участке канала сопла осуществляется увеличение скорости пенообразного потока до первоначального уровня (на входе в расширительную камеру). В результате на выходе из сопла генерируется компактный поток пены, используемой в качестве огнетушащего вещества.

Необходимо отметить, что в известном устройстве снижение турбулизации потока перед успокоителем потока осуществляется за счет снижения скорости пенообразного потока в расширительной камере. В результате этого течение смеси жидкости и раствора пенообразователя через расширительную камеру устройства сопровождается существенными потерями кинетической энергии генерируемого потока.

Кроме того, потери кинетической энергии возникают в процессе эжектирования раствора пенообразователя в камеру смешения и воздуха в расширительную камеру. Механическое пенообразование, происходящее в проточном канале ствола, также связано с существенными потерями энергии.

Необходимо отметить, в устройстве по патенту US 2478998, так же, как и в других описанных выше аналогах, в выходном сопле устройства осуществляется ускорение пенообразного потока, плотность которого значительно ниже плотности жидкости. При этом достигаемая скорость пенообразного потока на выходе из сопла из-за возникающих потерь существенно ниже начальной скорости жидкости и раствора пенообразователя, подаваемых в проточный канал устройства (в камеру смешения).

Кроме того, для устройств рассматриваемого типа характерны существенные потери кинетической энергии потока жидкости, вызванные неравномерностью профиля скоростей формируемого потока жидкости с пенообразователем. Данное явление связано с динамическими возмущениями, возникающими в потоке жидкости, например, при течении через повороты подводящего трубопровода.

В результате описанных выше явлений кинетическая энергия и импульс генерируемого пенообразного потока за срезом выходного сопла оказываются существенно ниже требуемых значений, которые определяют дальность подачи потока огнетушащего вещества на расстояния более 20 м.

Настоящее изобретение направлено на создание устройства, обеспечивающего генерацию высокоскоростного пенообразного потока огнетушащего вещества при условии минимизации потерь энергии, связанных с генерацией такого потока. Технический результат, достигаемый при решении поставленных технических задач, заключается в повышении эффективности тушения очагов пожаров различных классов (в основном классов "А" и "В") за счет снижения потерь энергии на генерацию высокоскоростного пенообразного потока и посредством увеличения дальности подачи огнетушащего вещества на расстояния более 20 м.

Данный технический результат обеспечивается за счет использования устройства для генерации потока огнетушащего вещества, содержащего ствол с проточным каналом осесимметричной формы, патрубок для подачи жидкости в проточный канал ствола, и сопло, установленное на торцевой части ствола. Сопло имеет проточный канал, состоящий из сужающегося в направлении течения потока жидкости входного участка конической или коноидальной формы и выходного участка цилиндрической формы. Устройство содержит средство ввода раствора пенообразователя в проточный канал ствола. В проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и входом в сопло установлен успокоитель смешанного потока жидкости и пенообразователя. При этом в проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и успокоителем смешанного потока образована расширительная камера.

Согласно настоящему изобретению в расширительной камере установлены, по меньшей мере, четыре направляющих элемента, выполненные в виде профилированных в направлении течения жидкости пластин, и осесимметричный направляющий элемент в виде трубки, при этом торцевые части направляющих элементов в виде пластин, обращенные к оси симметрии расширительной камеры, соединены с внешней поверхностью осесимметричного направляющего элемента в виде трубки, соосно размещенного в расширительной камере, причем максимальный диаметр d_max и минимальный диаметр d_min входного участка проточного канала сопла, а также длина ι_ц выходного цилиндрического участка проточного канала сопла выбраны из следующих условий:

2≤d_max/d_min≤14; d_max=D_к; d_min=d_ц; l_ц=(2-10) d_ц,

где D_к - диаметр расширительной камеры проточного канала ствола;

d_ц - диаметр выходного участка проточного канала сопла.

Совокупность перечисленных выше существенных признаков изобретения определяет возможность достижения технического результата за счет создания в канале ствола последовательно расположенных по направлению течения потока следующих зон: зоны смешения рабочей жидкости с пенообразователем, зоны преобразования потока, в которой осуществляется выравнивание параметров потока по поперечному сечению проточного канала; зоны ускорения потока жидкости в сужающемся канале (конфузоре) сопла и зоны пенообразования в выходном цилиндрическом участке сопла.

Существенное увеличение кинетической энергии генерируемого потока достигается за счет того, что в качестве рабочей среды, ускоряемой в канале сопла, используется жидкость, а не пена. Предварительная подготовка пенообразующей смеси производится в процессе движения ускоренного потока жидкости по каналу цилиндрического участка сопла. При этом конечное пенообразование осуществляется на срезе выходного цилиндрического участка сопла при истечении ускоренного потока в окружающее пространство.

Таким образом, вследствие того, что плотность жидкости существенно выше плотности пены, плотность потока на выходе из зоны ускорения оказывается существенно выше по сравнению с аналогичными параметрами пенообразного потока.

Вместе с тем при использовании жидкости в качестве рабочей среды в зоне ускорения появляется возможность увеличить скорость потока посредством применения конфузора с высокой степенью сужения проходного сечения проточного канала сопла. Необходимо отметить, для ускорения пены обычно применяются сужающиеся сопла с малой степенью сужения проходного сечения канала: d_max/d_min≤1,5.

Так, например, в устройстве-прототипе (см. US 2478998) применяется сопло с участком конической формы, для которого отношение d_max/d_min составляет 1,3. Данное ограничение связано с тем, что при увеличении степени сужения проходного сечения сопла происходит нарушение непрерывности подачи пены, образование газовых включений большого объема и последующее отклонение течения пены от заданного направления как в канале сопла, так за пределами среза сопла.

Существенным условием, обеспечивающим стабильную работу патентуемого устройства и достижение технического результата, является соблюдение условия:

2≤d_max/d_min≤14.

Данное условие характеризует, с одной стороны, увеличение скорости генерируемого пенообразного потока по сравнению с известными устройствами, в которых ускорению потока предшествует интенсивное пенообразование (2≤d_max/d_min), а с другой стороны, обеспечивается стабильная генерация высокоскоростного потока, обладающего требуемой пространственной однородностью (d_max/d_min≤14).

В результате проведенных исследований было установлено, что устойчивая генерация высокоскоростного пенообразного потока огнетушащего вещества с дальностью подачи более 20 м осуществляется при выполнении условия 2≤d_max/d_min≤14 для применяемого конического участка канала сопла. Такая форма сопла применима только для ускорения потока жидкости.

Следует отметить, что ограничение максимального значения степени сужения конфузора связано с существенным возрастанием гидравлических потерь и, следовательно, со снижением кинетической энергии генерируемого потока при значениях отношения d_max/d_min более 14. Кроме того, при превышении порогового значения d_max/d_min=14 наблюдаются нарушения непрерывности генерируемого потока в виде пульсаций потока, образование газовых включений большого объема и отклонение потока от заданного направления подачи огнетушащего вещества на очаг возгорания.

Преимущества патентуемого устройства обусловлены возможностью ускорения жидкой рабочей среды до максимальной скорости перед преобразованием жидкости в пену. При этом генерируемый высокоскоростной поток пены направляется вдоль направляющих стенок цилиндрического участка сопла в заданную область пространства, не встречая каких-либо дополнительных препятствий со стороны элементов конструкции устройства.

Другим существенным условием, необходимым для достижения нового технического результата, является условие сопряжения входного отверстия сужающегося участка проточного канала сопла с выходным отверстием канала расширительной камеры и выходного отверстия сужающегося участка канала сопла с входным отверстием цилиндрического участка канала сопла: d_max=D_к; d_min=d_ц.

Указанное выше условие сопряжения расширительной камеры устройства, сужающегося участка проточного канала сопла и цилиндрического участка сопла определяет возможность снижения потерь кинетической энергии потока жидкости, двигающейся через расширительную камеру к выходному отверстию сопла.

Вместе с тем описанное выше условие обеспечивает возможность протекания жидкого потока смеси рабочей жидкости и раствора пенообразователя до зоны пенообразования без каких-либо дополнительных гидравлических сопротивлений со стороны проточного канала устройства. Как известно, инициаторами механического пенообразования являются неплавные переходы трубопроводов либо выступы, рассекатели, а также шероховатости на поверхности трубопроводов, по которым прокачивается смешанный поток жидкости с пенообразователем.

Вследствие реализации существенного условия, характеризующего протекание жидкого потока огнетушащего вещества по проточному каналу устройства без интенсивного пенообразования до среза выходного цилиндрического участка сопла (области интенсивного пенообразования), в патентуемом устройстве обеспечивается возможность достижения максимальной скорости потока огнетушащего вещества на выходе из сопла устройства.

Третьим существенным условием, определяющим размеры проточного канала сопла, является соотношение, характеризующее выбор длины цилиндрического участка проточного канала сопла в зависимости от его диаметра: l_ц=(2-10)d_ц.

Длина цилиндрического участка проточного канала сопла выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, в ускоренном потоке жидкости, представляющем собой смесь рабочей жидкости со смесью раствора пенообразователя, должно происходить интенсивное пенообразование за счет кавитационных процессов (ι_ц=2d_ц), а с другой стороны, силы гидравлического сопротивления, проявляющиеся при движении потока жидкости по цилиндрическому каналу, не должны приводить к нарушению непрерывности генерируемого пенообразного потока.

В результате проведенных исследований было установлено, что влияние гидравлического сопротивления не оказывает существенного негативного влияния на параметры пенообразного потока, включая снижение его дальнобойности и нарушение сплошности потока, если длина цилиндрического участка не превышает десяти значений его диаметра.

Ограничение максимальной длины цилиндрического участка канала сопла обусловлено также потерями кинетической энергии на трение о поверхность стенок канала сопла.

Устойчивое пенообразование в ускоренном потоке жидкости (на срезе выходного участка сопла) наблюдается в случае, если длина цилиндрического канала составляет не менее двух диаметров его канала. Необходимо отметить, что преобразование потока жидкости в поток пены в зоне интенсивного пенообразования осуществляется в патентуемом устройстве посредством объемного газообразования в жидкости, протекающей через цилиндрический участок сопла с высокой скоростью (до 100 м/с). Как известно, при протекании высокоскоростного потока жидкости через цилиндрический канал кавитационные процессы начинают проявляться на расстояниях более одного радиуса от входного отверстия канала (см., например, патент RU 2184619 С1, колонка 14).

Образовавшиеся пузырьки газа служат центрами механического пенообразования в потоке жидкости. Кавитация возникает в результате падения статического давления движущейся по каналу жидкости до значения, близкого к давлению насыщенных паров жидкости.

С учетом временной задержки между моментом образования пузырьков газа в объеме жидкости (пузырьки образуются в течение ~10^-4÷10^-5c) и началом интенсивного перемешивания раствора пенообразователя в результате газонасыщения и перемещения газовых пузырьков в потоке жидкости длина цилиндрического участка канала сопла выбирается не менее двух диаметров канала.

Иными словами, минимальный порог значений l_ц обусловлен промежутком времени действия пониженного статического давления в потоке жидкости, в течение которого формируются зародыши газовой фазы, образуются кавитационные пузырьки, происходит рост кавитационных пузырьков до критических размеров, при которых пузырьки либо схлопываются с образованием более мелких газовых включений либо сливаются с соседними пузырьками с образованием более крупных газовых включений. В процессе преобразования кавитационных пузырьков происходит их перемещение в потоке жидкости и схлопывание. Данные явления инициируют процесс механического пенообразования.

Описанный выше процесс пенообразования отличает заявленное изобретение от известного технического решения, раскрытого в патенте US 2478998, которое выбрано в качестве наиболее близкого аналога изобретения. В устройстве по патенту US 2478998 пенообразование происходит за счет эжекции потока воздуха из окружающего пространства в полость канала расширительной камеры. При этом эжектирующие отверстия расположены между камерой смешения и входом в расширительную камеру устройства.

Отличительной особенностью патентуемого изобретения является то, что пенообразование инициируется в выходном участке канала сопла за счет формирования, преобразования и перемешивания с жидкостью кавитационных пузырьков, образовавшихся в потоке жидкости в процессе течения через выходной цилиндрический участок канала сопла.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что устойчивое пенообразование и максимальная дальнобойность пенного огнетушащего вещества обеспечиваются при ограничении длины выходного участка проточного канала сопла в зависимости от диаметра d_ц выходного участка проточного канала сопла согласно следующему условию: l_ц=(2-10)d_ц. Минимальный порог значений l_ц обусловлен необходимостью нахождения жидкости в зоне пониженного давления в течение определенного промежутка времени, достаточного для возникновения зародышей газовой фазы, образования кавитационных пузырьков и роста их до критических размеров. Максимальный порог обусловлен возникновением потерь кинетической энергии на трение о поверхность выходного участка канала сопла.

При выборе конкретных значений l_ц из диапазона (2-10)d_ц следует учитывать влияние свойств пенообразующего агента на время протекания процесса пенообразования. В случаях использования пенообразующих агентов, обеспечивающих высокую скорость пенообразования, интервал значений l_ц может быть более узким.

Другим важным условием при формировании дальнобойного потока пенного огнетушащего вещества является необходимость снижения потерь кинетической энергии, вызванных неравномерностью профиля скоростей по сечению потока. Кроме того, важное значение при создании дальнобойных пенных струй имеет существенное уменьшение тангенциальной и радиальной составляющих скоростей формируемого потока.

Необходимо отметить, что образование неравномерного профиля скоростей главным образом связано с закруткой потока жидкости в поворотах подводящего трубопровода. Динамические возмущения образуются в потоке жидкости из-за отклонения векторов скоростей слоев потока на входе в расширительную камеру устройства. Источниками динамических возмущений, наряду с поворотами и отводами подводящих трубопроводов, являются также и резкие изменения размера поперечного сечения проточного канала. Вместе с тем зоны турбулентности в потоке жидкости могут образовываться в процессе смешения потоков жидкости и пенообразователя.

Для существенного снижения вихревой (тангенциальной) составляющей скорости потока жидкости на входе в сопло (на 40-50%) в расширительной камере устройства симметрично устанавливаются, по меньшей мере, четыре направляющих элемента, которые выполняются в виде профилированных в направлении течения жидкости пластин, и осесимметричный направляющий элемент в виде трубки.

Применение направляющих элементов в расширительной камере устройства позволяет устранить неравномерность профиля скорости по сечению смешанного потока рабочей жидкости и раствора пенообразователя. Направляющие элементы, установленные в расширительной камере, выполняют функцию формирователя потока жидкости, обеспечивающего создание на входе в каналы успокоителя потока жидкости с минимальной закруткой (минимальной тангенциальной составляющей скорости потока).

Предварительно закрученный в поворотах подводящего трубопровода поток жидкости частично выпрямляется в каналах, образованных между направляющими элементами в виде пластин. При этом осевая часть потока жидкости, в которой могут образовываться вихревые зоны, ограничена внутренним диаметром осесимметричного направляющего элемента в виде трубки. Из-за этого турбулентные вихри, масштаб которых ограничивается диаметром трубки, не могут вносить существенные возмущения в формируемый поток жидкости.

Кроме того, использование осесимметричного направляющего элемента в виде трубки, соосно установленной в расширительной камере, предотвращает радиальное перетекание жидкости из периферийных зон, ограниченных направляющими профилированными пластинами, к центральной осевой зоне формируемого потока жидкости.

Принимая во внимание перечисленные выше условия и связанные с ними преимущества, патентуемое устройство обеспечивает существенное увеличение импульса и кинетической энергии генерируемого потока пенообразного огнетушащего вещества в осевом направлении.

В предпочтительном варианте выполнения устройства внутренний диаметр D_тр осесимметричного направляющего элемента в виде трубки (направляющей трубки) выбирается из условия: 0,1D_к≤D_тр≤0,4D_к.

Вместе с тем целесообразно, чтобы оптимальные значения длины l_тр осесимметричного направляющего элемента в виде трубки (направляющей трубки) выбирались из условия: l_тр=(3÷5)D_тр,

где l_п - длина направляющих элементов в виде пластин (направляющих профилированных пластин) вдоль направления течения жидкости.

Представленные выше оптимальные размеры осесимметричного направляющего элемента в виде трубки определяют условия, при которых наиболее эффективно обеспечивается гашение вихрей, образовавшихся в формируемом потоке жидкости.

Следует отметить, что при уменьшении внутреннего диаметра D_тр направляющей трубки менее 0,1D_к возрастают потери на трение. С другой стороны, при выполнении условия D_тр≤0,4D_к возникающие вихревые образования существенно меньше масштаба турбулентных вихрей, которые могут возникнуть в проточном канале расширительной камеры устройства.

Выбор оптимальной длины осесимметричного направляющего элемента обусловлен тем, что при длине l_тр менее 3D_тр наблюдается остаточное вихреобразование, а при длине l_тр более 5D_тр существенно возрастают потери на трение.

При реализации указанных выше условий обеспечивается формирование потока смеси рабочей жидкости и пенообразователя, в котором энергия вихревого движения не превышает 2% от энергии направленного потока огнетушащего вещества на выходе из сопла.

Далее изобретение поясняется примерами конкретного выполнения устройства для генерации потока огнетушащего вещества со ссылками на поясняющие чертежи.

На поясняющих чертежах изображено следующее:

на фиг.1 - продольный разрез устройства с местным видом на блок распылителей жидкости в масштабе 1:5;

на фиг.2 - поперечный разрез по плоскости А-А устройства, изображенного на фиг.1, в масштабе 1:2;

на фиг.3 - поперечный разрез по плоскости Б-Б устройства, изображенного на фиг.1, в масштабе 1:2.

В рассматриваемом примере выполнения изобретения предполагается применение устройства для генерации огнетушащего вещества на пожарном автомобиле (на чертежах не показан). При этом возможны и другие варианты использования устройства, например на борту пожарного судна.

Согласно примеру реализации изобретения, изображенному на фиг.1-3, устройство для генерации огнетушащего вещества содержит ствол 1 с проточным каналом 2 цилиндрической формы. Ствол 1 содержит корпус 3, с которым соединены посредством резьбовых соединений трубчатые секции 4 и 5. Проточный канал корпуса 3 сообщен с патрубком подачи воды из цистерны, установленной на транспортном средстве (на чертеже не показаны). Поступление жидкости из цистерны в проточный канал 2 осуществляется с помощью насосной системы подачи.

Сопло 6 установлено на торцевой части трубчатой секции 5 ствола 1 с помощью накидной гайки 7. Стык между торцевой частью трубчатой секции 5 и соплом 6 герметизирован с помощью уплотнительного кольца 8. Проточный канал сопла 6 состоит из сужающегося в направлении течения потока жидкости входного участка 9 конической формы и выходного участка 10 цилиндрической формы.

В данном примере реализации изобретения максимальный диаметр d_max и минимальный диаметр d_min входного конического участка 9 соответствуют условию d_max/d_min=5 (т.е. в пределах диапазона значений 2÷14). При этом диаметр d_ц выходного участка 10 проточного канала сопла 6 равен величине d_min. Длина l_ц выходного цилиндрического участка 10 проточного канала сопла 6 соответствует условию l_ц=5d_ц (т.е. в пределах диапазона значений от 2d_ц до 10d_ц).

Средство ввода раствора пенообразователя в проточный канал 2 ствола 1 выполнено в виде центрального тела 11, соосно установленного в канале. Центральное тело 11 содержит сопло 12 с выходным каналом 13, расположенным соосно проточному каналу 2. Сопло 12 соединено с патрубком 14 подачи раствора пенообразователя. Выходной канал 13 ориентирован навстречу направлению течения потока воды в проточном канале 2.

В рассматриваемом примере реализации изобретения на поверхности выходного канала 13 образованы направляющие винтообразные канавки 15, обеспечивающие турбулизацию потока раствора пенообразователя для его эффективного смешения с потоком воды. Следует отметить, что для этой цели возможно использование специального завихрителя потока, установленного в выходном канале 13 сопла 12. Такой завихритель может быть выполнен в виде вставки с тангенциальными каналами.

Патрубок 14 герметично установлен в отверстии, выполненном в стенке корпуса 3. При этом патрубок 14 ориентирован перпендикулярно оси симметрии проточного канала 2 и сообщен через насосную систему подачи с емкостью, в которой находится запас раствора пенообразователя. В рассматриваемом примере в качестве пенообразующего агента изобретения используется пенообразователь типа AFFF 3М.

Успокоитель 16 смешанного потока жидкости и пенообразователя установлен в проточном канале 2 ствола 1 между средством подачи раствора пенообразователя и входом в сопло 6. В рассматриваемом примере реализации заявленного изобретения успокоитель 16 состоит из шести пластин 19, ориентированных вдоль направления течения потока. Взаимно перпендикулярные пластины 19 соединены между собой с образованием сотовой конструкции (см. фиг.2). Две группы пластин, по три пластины в каждой, ориентированы перпендикулярно друг другу вдоль проточного канала 2.

Успокоитель 16 зафиксирован между кольцевыми выступами 17 и 18, выполненными на поверхности трубчатых секций 4 и 5. Следует отметить, что возможны и другие варианты крепления успокоителя 16 в проточном канале 2.

В рассматриваемом примере диаметр D_y успокоителя 16 равен диаметру D_к расширительной камеры 20. Продольный размер l_у успокоителя 16 выбран равным l,7D_y.

Цилиндрическая расширительная камера 20 размещена в проточном канале 2 ствола 1 между средством ввода раствора пенообразователя и успокоителем смешанного потока 16. Диаметр D_к расширительной камеры 20 равен диаметру d_max входного участка 9 проточного канала сопла 6. Длина 4 расширительной камеры 20 выбрана равной 3,6D_к.

Во входном участке расширительной камеры 20 установлены четыре направляющих элемента, выполненные в виде профилированных в направлении течения жидкости пластин 21, и осесимметричный направляющий элемент, выполненный в виде трубки 22, соосно размещенной в полости расширительной камеры. Торцевые части профилированных пластин 21, обращенные к оси симметрии расширительной камеры, жестко соединены с внешней поверхностью осесимметричного направляющего элемента - трубки 22. Пластины 21 и трубка 22 расположены симметрично в проточном канале расширительной камеры 20.

Направляющие элементы в виде пластин 21 и направляющий элемент в виде трубки 22 конструктивно выполнены в виде единой полой вставки 23. Крепление и фиксация положения направляющих элементов относительно оси симметрии расширительной камеры 20 осуществляется с помощью установочных поверхностей вставки 23. В рассматриваемом примере реализации изобретения внутренний диаметр D_тр осесимметричного направляющего элемента в виде трубки 22 выбран равным 0,3 D_к, что соответствует условию: 0,1D_к≤D_тр≤0,4D_к, где D_к - внутренний диаметр расширительной камеры.

Длина l_тр осесимметричного направляющего элемента - трубки 22 равна длине l_п, пластин 21 вдоль направления течения жидкости и составляет 3,5 D_тр, что соответствует условию: l_тр=l_ц(3÷5)D_тр.

Полая вставка 23 и связанные с нею направляющие элементы в виде пластин 21, жестко соединенные с осесимметричным направляющим элементом в виде трубки 22, устанавливаются в расширительной камере с помощью кольцевого выступа 24, выполненного на внешней поверхности вставки 23. Выступ 24 при монтаже вставки 23 фиксируется между торцевыми частями корпуса 3 и трубчатой секции 4. Проточный канал вставки 23 выполнен сужающимся в направлении течения смешанного потока рабочей жидкости и раствора пенообразователя.

В рассматриваемом примере реализации патентуемого изобретения устройство содержит блок распылителей жидкости, состоящий из трех распылителей 25 с выходными щелевыми каналами 26 (см., фиг.3). Распылители 25 имеют общий коллектор 27, который соединен с патрубком подвода жидкости 28. На патрубке 28 установлен запорный кран 29. Распылители 25 сообщены через коллектор 27 и патрубок 28 с проточным каналом 2 ствола 1. Патрубок 28 соединен с проточным каналом 2 перед сечением, в котором расположено выходное отверстие средства ввода раствора пенообразователя, выполненного в виде сопла 12.

Устройство снабжено узлом 30 поворота блока распылителей жидкости. В состав узла 30 входит управляющий рычаг 31, жестко связанный с патрубком 28. Посредством рычага 31 осуществляется угловое перемещение блока распылителей жидкости относительно ствола 1 (на фиг.1 направления перемещения обозначены стрелками).

На фиг.1, 2 и 3 изображено положение блока распылителей жидкости, при котором выходные щелевые каналы 26 распылителей жидкости 25 ориентированы под углом 90° к оси симметрии проточного канала 2 ствола 1.

Работа устройства для генерации потока огнетушащего вещества, выполненного согласно примеру реализации изобретения, осуществляется следующим образом. Устройство, установленное на транспортном средстве, доставляется к очагу возгорания. Оператор с помощью механизма наведения направляет сопло 6 устройства на очаг возгорания. В случае необходимости создается дополнительная жидкостная завеса с помощью блока распылителей жидкости. Такая завеса обеспечивает защиту оператора и транспортного средства от теплового излучения высокотемпературного очага возгорания.

После включения насосной системы подачи вода из цистерны под избыточным давлением 0,9 МПа поступает в проточный канал 2 ствола 1. Одновременно часть воды из проточного канала 2 поступает через патрубок подвода жидкости 28, открытый кран 29 и коллектор 27 к распылителям 25. Блок распылителей жидкости устанавливается оператором в заданное положение с помощью рычага 31 узла поворота 30.

В выходных щелевых каналах 26 распылителей 25 формируются пленочные потоки воды, которые распыляются в окружающем пространстве, образуя защитную газокапельную завесу.

Раствор пенообразователя с помощью насосной системы подается под рабочим давлением из емкости через патрубок 14 подачи пенообразователя в выходной канал 13 сопла 12. В процессе движения раствора пенообразователя в канале 13 по винтообразным канавкам 15 формируется закрученный поток, направленный навстречу потоку рабочей жидкости, протекающему через канал 2 ствола 1. При вводе закрученного потока пенообразователя в поток воды происходит интенсивное перемешивание рабочей жидкости с пенообразователем.

Сформированный поток огнетушащего вещества поступает далее в расширительную камеру 20, на входе которой установлены направляющие элементы, выполненные в виде профилированных в направлении течения потока жидкости пластин 21, и жестко соединенный с ними осесимметричный направляющий элемент в виде трубки 22. Пластины 21 и трубка 22 обеспечивают формирование смешанного потока рабочей жидкости и пеноообразователя в расширительной камере 20.

При обтекании потоком направляющих пластин 21 и направляющей трубки 22 происходит сглаживание неравномерного профиля скорости жидкости по сечению потока за счет устранения динамических возмущений и завихрений в потоке жидкости. В процессе течения потока жидкости через расширительную камеру 20 обеспечивается дальнейшее выравнивание профиля скорости по сечению смешанного потока.

Из расширительной камеры 20 смешанный поток поступает в успокоитель 16. При прохождении потока через осевые каналы сотовой конструкции успокоителя, образованные между пластинами 19, происходит дополнительное сглаживание динамических возмущений и завихрений, возникших в потоке жидкости перед входом в сопло 6.

Во входном коническом участке 9 проточного канала сопла 6 происходит ускорение смешанного потока. Ускоренный поток жидкости поступает далее из входного участка 9 в выходной цилиндрический участок 10, в котором осуществляется интенсивное пенообразование за счет использования кавитационных эффектов.

В движущемся по цилиндрическому участку 10 смешанном потоке воды и пенообразователя инициируется процесс возникновения зародышей газовой фазы. После образования кавитационных пузырьков происходит их рост до критических размеров и последующее схлопывание.

В результате интенсивного перемещения кавитационных пузырьков в потоке жидкости и их схлопывания осуществляется начальный этап механического пенообразования в смешанном потоке. Конечный этап пенообразования происходит при истечении смешанного потока рабочей жидкости и пенообразователя, содержащего газовые включения, в окружающее пространство за срезом выходного цилиндрического участка 10 сопла 6. На выходе из сопла 6 генерируется струя пенообразного огнетушащего вещества низкой кратности.

В результате проведенных исследований было установлено, что за счет увеличения степени сужения конфузора сопла до значения d_max/d_min=5 и установки направляющих элементов (пластин 21 и трубки 22) в расширительной камере устройства достигается дополнительное увеличение дальности подачи пенообразного потока огнетушащего вещества.

При использовании установки, выполненной согласно описанному выше примеру реализации изобретения, была достигнута дальность подачи потока пенообразного огнетушащего вещества на расстояние 130 м. Расход жидкого огнетушащего вещества составлял 120 л/с при давлении подачи 0,9 МПа.

В отличие от известных аналогов при использовании патентуемого устройства осуществляется последовательное формирование (с помощью направляющих элементов) и ускорение смешанного потока рабочей жидкости и раствора пенообразователя, после чего производится механическое вспенивание смешанного потока при использовании кавитационного эффекта. Существенное увеличение дальнобойности достигается за счет повышения скорости генерируемого потока.

Применение устройства для генерации огнетушащего вещества, выполненного согласно настоящему изобретению, позволяет повысить эффективность тушения высокотемпературных очагов возгорании за счет генерации дальнобойного пенообразного потока низкой кратности. Изобретение может найти широкое применение при создании передвижных установок пожаротушения, предназначенных для тушения пожаров, возникающих в резервуарах с легковоспламеняющимися жидкостями и при аварийных выбросах нефтепродуктов.

Claims (3)

1. Устройство для генерации потока огнетушащего вещества, содержащее ствол с проточным каналом осесимметричной формы, патрубок для подачи жидкости в проточный канал ствола, сопло, установленное на торцевой части ствола, с проточным каналом, состоящим из сужающегося в направлении течения потока входного участка конической или коноидальной формы и выходного участка цилиндрической формы, средство ввода раствора пенообразователя в проточный канал ствола, успокоитель смешанного потока жидкости и пенообразователя, установленный в проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и входом в сопло, при этом в проточном канале ствола между средством ввода раствора пенообразователя и успокоителем смешанного потока образована расширительная камера, отличающееся тем, что в расширительной камере симметрично установлены, по меньшей мере, четыре направляющих элемента, выполненных в виде профилированных в направлении течения жидкости пластин, и осесимметричный направляющий элемент в виде трубки, причем торцевые части направляющих элементов в виде пластин, обращенные к оси симметрии расширительной камеры, соединены с внешней поверхностью осесимметричного направляющего элемента в виде трубки, соосно размещенной в расширительной камере, максимальный диаметр d_max и минимальный диаметр d_min входного участка проточного канала сопла, а также длина l_ц, выходного цилиндрического участка проточного канала сопла выбраны из следующих условий:

2≤d_max/d_min≤14; d_max=D_K; d_min=d_ц; l_ц=(2÷10)d_ц,

где D_К - диаметр расширительной камеры проточного канала ствола;

d_ц - диаметр выходного цилиндрического участка проточного канала сопла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний диаметр D_тр осесимметричного направляющего элемента в виде трубки выбран из условия

0,1D_K≤D_тр≤0,4D_к.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что длина l_тр осесимметричного направляющего элемента в виде трубки выбрана из условия

l_тр=l_п=(3÷5)D_тр,

где l_п - длина направляющих элементов в виде пластин вдоль направления течения жидкости.

Images