распылитель для тонкого распыла пожаротушащей газожидкостной смеси с возможными твердыми реагирующими добавками

Формула изобретения

РАСПЫЛИТЕЛЬ ДЛЯ ТОНКОГО РАСПЫЛА ПОЖАРОТУШАЩЕЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ С ВОЗМОЖНЫМИ ТВЕРДЫМИ РЕАГИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ, содержащий цилиндрический корпус с выходным отверстием и соосно установленным внутри шнеком, снабженным многозаходными винтовыми нарезками, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса дополнительно выполнены многозаходные винтовые нарезки противоположные нарезкам шнека и скрепленные с последними в вершинах их ребер, в направлении к выходу газожидкостного потока шаг нарезок корпуса и шнека постепенно уменьшается, создавая на выходе угол нарезок к оси корпуса, равный 30 45^o, шнек на конце выполнен в виде усеченного полого конуса, обращенного вершиной к потоку распыляемой смеси, с углом 10^o и выходным отверстием, составляющим 0,6 0,8 диаметра шнека.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к быстродействующим средствам тушения пожаров потоком смеси инертных газов и тонкораспыленного огнегасительного твердого и/или жидкого вещества.

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.

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.

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.

Недостаток такого устройства малое время пребывания жидкости в зоне ударных явлений, что снижает расходонапряженность устройства и увеличивает его габариты.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В устройстве предусмотрено увеличение времени пребывания в зонах кавитации, чередующихся по длине с зонами повышенного давления, что обеспечивает дробление на капли вязких жидкостей.

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.

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.

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.

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 5 составляет 10^о.

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 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.

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.

Распылитель работает от системы подачи огнетушащего вещества следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.