Ороситель с предварительной аэрацией огнетушащего раствора

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ОРОСИТЕЛЬ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ АЭРАЦИЕЙ ОГНЕТУШАЩЕГО РАСТВОРА(71) Заявитель Государственное учреждение образования Командноинженерный институт Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь(72) Авторы Карпенчук Игорь Васильевич Полевода Иван Иванович Качанов Игорь Владимирович Павлюков Сергей Юрьевич Волчек Ярослав Станиславович Палубец Сергей Михайлович(73) Патентообладатель Государственное учреждение образования Командноинженерный институт Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь(57) 1. Ороситель с предварительной аэрацией огнетушащего раствора, содержащий дренчерный ороситель, отличающийся тем, что перед дренчерным оросителем установлен инжектор для аэрации огнетушащего раствора с подводящим и отводящим участками,разделенными участком сжатого сечения, снабженным отверстиями, сообщающимися с атмосферой для инжекции воздуха в поток огнетушащего раствора. 2. Ороситель по п. 1, отличающийся тем, что инжектор выполнен по типу трубы Вентури с конфузорным подводящим и диффузорным отводящим участками, причем потери давления р в потоке двухфазной газожидкостной среды, проходящей через диффузорный отводящий участок инжектора, и его геометрические размеры связаны зависимостью 2 20,811 дф 22 414,0 дф 02 где- диаметр выходного сечения диффузора 0 - диаметр участка сжатого сечения диффузора- объемный расход огнетушащего раствора 102772014.08.30- касательное напряжение на стенке диффузора- угол конусности диффузора дф - плотность двухфазной газожидкостной среды. 3. Ороситель по п. 2, отличающийся тем, что геометрические размеры диффузора инжектора соответствуют гидравлическому режиму, заданному уравнением где- касательное напряжение на стенке диффузора- угол конусности диффузора- давление в соответствующем сечении- текущая координата дф - плотность двухфазной газожидкостной среды- скорость двухфазного газожидкостного потока в соответствующем сечении. 4. Ороситель по п. 1, отличающийся тем, что подводящий и отводящий участки инжектора выполнены цилиндрическими и разделены диафрагмой с проходным отверстием,а участок сжатого сечения расположен между диафрагмой с проходным отверстием, диаметр которого связан с расходом огнетушащего раствора зависимостью,(вх 0 ) где д - диаметр проходного отверстия диафрагмы- объемный расход огнетушащего раствора вх - давление на входе в инжектор 0 - заданное давление за проходным отверстием диафрагмы- плотность огнетушащего раствора,и отверстиями, сообщающимися с атмосферой для инжекции воздуха в поток огнетушащего раствора. 5. Ороситель по п. 4, отличающийся тем, что расстояние между отверстиями для инжекции воздуха и диафрагмой составляет от 0,5 д до д. 6. Ороситель по п. 4, отличающийся тем, что проходное отверстие диафрагмы выполнено коническим с углом конусности от 20 до 40. 4(56) 1. А.с. СССР 172630. 2. Патент РФ 2460558, МПК 62 31/00, 2011. 3. Иванов С.П., Курбатов Б.Е. Расчет средств пенного пожаротушения. - М. Стройиздат,1985. - 220 с. 4. Исследование влияния модифицирующих добавок к воде на дисперсность распыливания форсунками модульных установок пожаротушения мелкодисперсной водой с целью разработки огнетушащего состава для этих установок отчет о НИР (заключ.) / Научноисследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь науч. рук. Ю.В. Заневская. - Минск, 2005. - 49 с.ГР 2005439. 5. Кутателадзе С.С., Стырикович М.М. Гидродинамика газожидкостных систем. - М. Энергия, 1976. - 296 с. 6. Карпенчук И.В. и др. Уравнения движения кавитационного двухфазного потока в диффузоре пеносмесителя ПС-5 // Чрезвычайные ситуации предупреждение и ликвидация. - 2005. -7 (17). - С. 154-160. 2 102772014.08.30 7. Рабинович У.З. Гидравлика. - М. Недра, 1980. - 278 с. 8. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М. Стройиздат, 1987. - 414 с. Полезная модель относится к области средств пожаротушения и предназначена для использования в составе систем автоматического пожаротушения помещений жилого и производственного назначения. Наиболее широко применяются (до 90 от общего числа пенных оросителей) универсальные пенные оросители низкой кратности. Эти оросители устанавливаются в производственных помещениях, где обращаются легковоспламеняющиеся жидкости, находятся машины и механизмы с наличием горюче-смазочных материалов, а также в любых других случаях, где рекомендовано применение пенного пожаротушения, но использование пенных стволов или пенных генераторов большей производительности нецелесообразно. Известен пенный ороситель 1, который включает перекрытый клапаном корпус оросителя и закрепленный на корпусе диффузор с отверстиями для подсоса воздуха. Внутри диффузора на корпусе оросителя расположены кольцеобразные распылительные диафрагмы, на конце корпуса оросителя также расположена кольцеобразная распылительная диафрагма - распылительная розетка. Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая эффективность из-за наличия клапана, сдерживающего огнетушащее вещество, так как в системах автоматического пожаротушения уже имеются запорно-пусковые устройства, реагирующие на повышение температуры в помещениях. Известен дренчерный пенный ороситель 2, содержащий корпус оросителя и закрепленный на корпусе диффузор с отверстиями для подсоса воздуха и распылительной розеткой, внутри диффузора, на его конце, расположенном напротив корпуса оросителя,расположена распылительная розетка, закрепленная на диффузоре посредством по крайней мере трех радиальных и наклонных по отношению к оси диффузора удерживающих спиц, при этом распылительная розетка снабжена вогнутыми лепестками. При включении систем автоматического пожаротушения помещений в пространство,образованное диффузором, подается пенообразующий раствор. Диффузор создает объем струи пены, в верхней части диффузора создается разрежение, и через отверстия диффузора начинает подсасываться воздух. Воздух перемешивается с пенообразующим раствором с получением воздушно-механической пены, разбрызгиваемой на площади, выделенной для защитного действия распылителя. Розетка с чередующимися вогнутыми лепестками, расположенными под углом, обеспечивает получение струи пены низкой кратности. Данный дренчерный пенный ороситель имеет тот недостаток, что из корпуса пенообразующий раствор подается в виде сплошной струи, слои жидкости и подсасываемого воздуха будут двигаться параллельно и смешение с воздухом будет незначительным. Кроме того, в данном дренчерном пенном оросителе разбрызгивающая розетка, расположенная внутри диффузора, отбрасывает раствор на стенки диффузора, что значительно снижает скорость и уменьшает площадь орошения. Проведенные исследования по изучению основных характеристик пены, влияющих на огнетушащую эффективность, позволяют сделать вывод, что одной из важных характеристик пены, влияющей на скорость ее разрушения на поверхности горючего, является дисперсность, которая определяется типом пеногенерирующей аппаратуры. Гидродинамические параметры пенного слоя зависят от дисперсности. Уменьшение размеров пузырьков приводит к увеличению огнетушащей эффективности 3. Повышение кратности пены увеличивает толщину пенного слоя, что, в свою очередь, увеличивает время прогрева пенного слоя, обезвоживание пленок и его разрушение. Для зависимости скорости разрушения от дисперсности наблюдается другая картина при малой плотности теплового потока 102772014.08.30 скорость прямо пропорциональна размеру пузырьков в пене, а при большой - не зависит от их размера. Скорость разрушения при тепловом воздействии постоянна по мере убывания высоты слоя. Это результат одновременного протекания в пленках поверхностного слоя процессов синерезиса, прогрева и стекания жидкости разрушенных пленок в нижние слои пены 4. Следовательно, принимая во внимание зависимость плотности теплового потока от скорости разрушения пены, можно сделать вывод, что огнетушащая эффективность пены при неразвившихся пожарах (пожарах с тепловым потоком малой плотности) напрямую зависит от дисперсности пены. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение кратности и дисперсности пены, подаваемой на пожаротушение. Решение указанной задачи достигается посредством того, что в оросителе с предварительной аэрацией огнетушащего раствора, содержащем дренчерный ороситель, согласно полезной модели перед дренчерным оросителем установлен инжектор для аэрации огнетушащего раствора с подводящим и отводящим участками, выполненными либо в виде конфузора и диффузора соответственно, либо в виде цилиндров, разделенными участком сжатого сечения, снабженным отверстиями, сообщающимися с атмосферой для инжекции воздуха (газонасыщения) в поток огнетушащего раствора. Инжектор, состоящий из конфузора и диффузора, в предпочтительном варианте реализации выполнен по типу трубы Вентури, где геометрические размеры диффузора инжектора соответствуют гидравлическому режиму, заданному уравнением где- касательное напряжение на стенке диффузора- угол конусности диффузора- давление в соответствующем сечении- текущая координата дф - плотность двухфазной газожидкостной среды- скорость двухфазного газожидкостного потока в соответствующем сечении, а потери давленияв диффузоре инжектора и его геометрические размеры связаны зависимостью 2 220,811 дф 2 414,(2)0 дф 02 где- диаметр выходного сечения диффузора 0 - диаметр участка сжатого сечения диффузора- объемный расход огнетушащего раствора. Инжектор в другом, менее предпочтительном, варианте реализации может быть выполнен в виде цилиндрических подводящего и отводящего каналов с диафрагмой между ними, соединенных резьбовым соединением, а диаметр проходного отверстия диафрагмы связан с расходом огнетушащего раствора зависимостью д 4 где д - диаметр проходного отверстия диафрагмы- объемный расход огнетушащего раствора вх - давление на входе в инжектор 0 - заданное давление за проходным отверстием шайбы- плотность огнетушащего раствора, 4 102772014.08.30 при этом участок сжатого сечения расположен между диафрагмой с проходным отверстием диаметром д и отверстиями (включительно), сообщающимися с атмосферой для инжекции воздуха в поток огнетушащего раствора, а отверстия для инжекции воздуха расположены на расстоянии от диафрагмы, равном 0,5 д 1 д. Проходное отверстие диафрагмы выполнено коническим с углом конусности от 20 до 40. Отличительная особенность оросителя с предварительной аэрацией огнетушащего раствора заключается в том, что он содержит инжектор, установленный перед дренчерным пенным оросителем, для аэрации огнетушащего раствора с конфузорным и диффузорным участками, участком сжатого сечения, сообщающимся с атмосферой, выполненный по типу трубы Вентури с отверстиями для инжекции воздуха. Геометрические размеры диффузора инжектора соответствуют гидравлическому режиму, заданному уравнением (1), вывод которого основан на законе сохранения импульса для двух элементарных сечений диффузора 5, 6 (сумма всех внешних сил равна изменению импульса)( дф.дф. )дф.,где дф. - массовый расход двухфазной газожидкостной среды- скорость двухфазной газожидкостной среды- проекция ускорения свободного падения на ось Ох дф. - плотность двухфазной газожидкостной среды- угол конусности диффузора- касательные напряжения на стенке диффузора- нормальные напряжения на стенке диффузора- давление в перпендикулярных осисечениях. После преобразований получим 2 22 д 2 К полученному уравнению добавим уравнение неразрывности, которое в данном случае примет следующий вид В случае установившегося движения уравнения (5) и (6) примут следующий вид 2 дф 22(8) 2 Далее рассмотрим случай установившегося движения жидкости в диффузоре инжектора с малыми углами конусности (15). Будем считать давление в сечении диффузора одинаковым 7. Вследствие этого нормальные напряжения на стенке можно принять равным и значению давления в сечении. Тогда уравнение (7) примет следующий вид д 2 Поскольку вес двухфазной газожидкостной смеси в объеме диффузора значительно меньше сил давления и сил трения, возникающих при движении жидкости в диффузоре,значением последнего члена в уравнении (10) можно пренебречь. Тогда конечное уравнение примет вид (1) (представленный в зависимом п. 3 формулы изобретения) Полученные уравнения осредненного движения газожидкостной смеси в диффузоре позволяют рассчитывать распределение осредненного давления в диффузоре по его длине,а также определять давление на ее границе в конце диффузора, т.е. определять геометрические размеры диффузора инжектора, соответствующие гидравлическому режиму, заданному этим уравнением. Еще одной отличительной особенностью полезной модели является то, что потери давленияв диффузоре инжектора и его геометрические размеры связаны зависимостью (2),вывод которой получен из интегрального решения уравнений (8) и (9) движения двухфазной газожидкостной смеси в диффузоре инжектора для аэрации огнетушащего состава. Проинтегрируем уравнение (9). Поскольку на рассматриваемом участке при аэрации рабочей среды для получения необходимой кратности пены газосодержание составляет 90-95 , движение жидкости установившееся, плотность раствора пенообразователя значительно больше плотности воздуха, угол конусности диффузора мал, примем в первом приближении плотность газожидкостной среды постоянной. Получаем следующее уравнение 1 1 д 11 2 После интегрирования и преобразований получим выражение, определяющее потери давления в диффузоре инжектора для аэрации огнетушащего состава 2 где- длина диффузора от начального (сжатого) сечения до начала цилиндрической части. Скорость 1, т.е. скорость в начальном сечении, можно принять равной скорости 0 потока без газонасыщения в узком сечении на выходе из конфузора и определять ее через объемный расход рабочей среды 4(13) 20 где- объемный расход огнетушащего состава 0 - диаметр участка сжатого сечения. Отношение 2/1 можно записать как /0, где- диаметр выходного сечения диффузора. С учетом сделанных допущений и обозначений уравнение (12) примет виддф 2202 . 102772014.08.30 Проведем некоторые преобразования уравнения (14). Скорость среды, исходя из уравнения (8), можно представить в видедф дф 2 Координату расчетного сеченияс началом координат в точке схождения диффузора можно записать как 0(16) 2 д 2 После подстановок и преобразований получаем конечную зависимость (2) для определения потерь давленияв потоке двухфазной газожидкостной среды, проходящей через диффузорный отводящий участок инжектора. Еще одна отличительная особенность оросителя заключается в том, что при необходимости упрощения его конструкции и, соответственно, удешевления процесса изготовления подводящий и отводящий участки инжектора выполняют цилиндрическими и разделяют их диафрагмой с проходным отверстием, при этом участок сжатого сечения находится между диафрагмой с проходным отверстием, диаметр которого связан с расходом огнетушащего раствора зависимостью (3), и отверстиями (включительно), сообщающимися с атмосферой для инжекции воздуха в поток огнетушащего раствора. Для конечного расчета подводящего участка инжектора необходимо значение диаметра 0 участка сжатого (узкого) сечения инжектора. Для определения 0 запишем уравнение Д. Бернулли для входного вх и сжатого (узкого) сечений подводящего участка инжектора без учета удельной энергии положения сечений, т.к. ее значение мало по сравнению с остальными членами уравнения 2 2(17)вхвх 00 конф ,2 2 где вх. - давление на входе в инжектор вх. - скорость жидкости на входе в инжектор 0 - давление на участке сжатого сечения- плотность огнетушащего раствора 0 - скорость на участке сжатого сечения конф - потери давления на подводящем участке. Преобразуем уравнение (17) с учетом вх. (18) 2 вх 00 вхдля получения диаметра участка сжатого сечения. 04 В первом приближении расчет проточного тракта инжектора с подводящим и отводящим участками цилиндрической формы (фиг. 2), где диаметр Д проходного отверстия диафрагмы совпадает с диаметром 0 сжатого сечения, вследствие сложности процесса необходимо делать методом последовательных приближений, диаметр сжатого сечения 0 или диаметр Д проходного отверстия диафрагмы можно определять без учета потерь давления на подводящем участке, т.е. принять конф 0, тогда получаем (3) 102772014.08.30 Сущность полезной модели раскрывается с помощью фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлена схема оросителя с предварительной аэрацией (газонасыщением) огнетушащего вещества, в котором подводящий и отводящий участки инжектора представлены в виде конфузора и диффузора. На фиг. 2 представлена схема оросителя с предварительной аэрацией огнетушащего вещества, в котором подводящий и отводящий участки инжектора имеют форму цилиндра, а между ними помещена диафрагма с отверстием, диаметр которого связан с расходом огнетушащего раствора определенной зависимостью. На фиг. 1 представлен общий вид оросителя, который включает инжектор, состоящий из конфузорного участка 1 (конфузора), диффузорного участка 2 (диффузора), и дренчерный ороситель 3. Конфузор 1 соединен с диффузором 2 резьбовым соединением с уплотнением 4. В области соединения конфузора и диффузора расположен участок 5 сжатого сечения, выполненный по типу трубы Вентури, который сообщается с окружающей атмосферой посредством отверстий 6 для подачи (инжекции) воздуха. Диффузор 2 соединен резьбовым соединением 7 с дренчерным оросителем 3, венчает который розетка 8. Принцип работы оросителя с предварительной аэрацией огнетушащего вещества заключается в следующем. Огнетушащее вещество в виде раствора пенообразователя подается в конфузорный участок 1 с необходимым расходом. При прохождении конфузорного участка 2 из-за конусного уменьшения диаметра конфузора скорость потока огнетушащего вещества возрастает, достигая своего максимума в области участка 5 сжатого сечения,при этом давление в потоке понижается, образуется вакуумный эффект, под действием которого воздух подсасывается из окружающей атмосферы через отверстия 6 и инжектирует в поток огнетушащего вещества, в результате чего при переходе в диффузорный участок образуется газожидкостная смесь. Далее поток огнетушащего вещества, представляющий собой газожидкостную смесь раствора пенообразователя с воздухом, проходит через дренчерный ороситель 3 и дробится на его розетке 8, образуя мелкодисперсную пену с кратностью порядка 10-20. Это обеспечивается за счет того, что поток газожидкостной смеси не способен сопротивляться растягивающим усилиям и воздушные пузырьки легко дробятся на розетке. Кратность пены заранее задается перед газонасыщением посредством регулирования количества воздуха, инжектируемого в поток через отверстия 6, подбором их определенного диаметра. Результаты исследований показали, что, по сравнению с распыливанием воды без добавления поверхностно-активных веществ и газонасыщения, гидравлическое распыливание в сочетании с предварительным газонасыщением воды без добавок поверхностноактивных веществ, способствует уменьшению размера капель водного аэрозоля на 17 , а в случае использования в качестве огнетушащей жидкости 0,02 -ного раствора триэтаноламиналаурилсульфата - на 34 . Таким образом, реализация заявленной полезной модели обеспечивает повышение эффективности пожаротушения. С целью снижения технологических затрат на изготовление, упрощения конструкции и увеличения инжекционной способности предлагается конструкция оросителя с инжектором, состоящим из подводящего и отводящего каналов, имеющих цилиндрическую форму, соединенных резьбовым соединением, в области которого помещен участок сжатого сечения, снабженный отверстиями, сообщающимися с атмосферой для инжекции воздуха(газонасыщения) в поток огнетушащего раствора, причем участок сжатого сечения включает диафрагму с проходным отверстием, диаметр Д которого связан с расходом огнетушащего раствора зависимостью (3). Эта конструкция оросителя включает инжектор,состоящий из подводящего 1 и отводящего 2 цилиндрических каналов, и дренчерный ороситель 3. Каналы 1 и 2 соединены резьбовым соединением с уплотнением 4. В области соединения каналов 1 и 2 расположен участок 5 сжатого сечения, для чего между каналами 1 и 2 установлена диафрагма 6 с проходным отверстием 7. На расстоянии, равном величи 8 102772014.08.30 не от 0,5 Д до Д (от половины до целого диаметра проходного отверстия диафрагмы), выполнены отверстия 8, сообщающиеся с атмосферой для газонасыщения (аэрации) потока огнетушащего раствора, проходящего через диафрагму 6. К выходному сечению отводящего канала 2 резьбовым соединением 3/4 подсоединяется дренчерный ороситель 3 с розеткой 9 на конце. Ороситель с инжектором в виде цилиндрических каналов с диафрагмой работает следующим образом. Огнетушащий раствор потоком с определенным расходом подается в подводящий канал 7. При транзите в отводящий канал 2 через проходное отверстие 7 в диафрагме 6, т.е. в начале участка сжатого сечения, скорость потока резко возрастает, далее за диафрагмой на расстоянии 0,5 Д - 1 Д диаметра проходного отверстия 7, т.е. в конце участка сжатого сечения, образуется сжатое сечение потока транзитной струи, охваченное вихревыми водоворотными зонами 8. Как известно из теории вихря, давление в центре вихря равно нулю, давление в сжатом сечении транзитной струи значительно понижается по сравнению с атмосферным, и происходит инжекция, т.е. газонасыщение огнетушащего раствора из-за подсасывания воздуха через отверстия 8, расположенные на участке сжатого сечения инжектора в области сжатого сечения транзитной струи. Количество инжектируемого воздуха определяется количеством и диаметрами отверстий 8. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.