УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЕНЫ Российский патент 2007 года по МПК A62C5/02 B28C5/38 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для генерирования пены и может быть использовано в противопожарной технике - для приготовления пены, подаваемой на поверхность горящей жидкости, в химической технологии - для формирования пены, используемой в реакционных и газоочистных процессах, а также в строительной промышленности - для приготовления строительной пены в производстве пеноматериалов (пенобетона, пеногипса) с использованием пенообразующего вещества.

Известен способ тушения горения жидкостей в резервуарах и устройство для его осуществления (МПК⁶ А62С 3/06, А62С 35/00, пат. РФ №2126702). Устройство содержит емкость с пенообразующим раствором, соединенную трубопроводом с форсункой, источник инертного газа, соединенный трубопроводом с барботером, установленным в жидкости, извещатель воспламенения и запорные клапаны. При этом форсунка установлена в жидкости над барботером в непосредственной близости к нему, а емкость с пенообразующим раствором может быть установлена в резервуаре с жидкостью. Кроме того, в трубопроводе, соединяющем источник газа с барботером, установлена вихревая труба, сопловой вход которой соединен с источником газа, а трубопровод холодного потока - с барботером. Технический результат заключается в том, что организация нового режима и условий генерирования пены, подаваемой на поверхность горящей жидкости, обеспечивает повышение стойкости пены, уменьшение расхода пенообразующего раствора и инертного газа и повышение эффективности тушения горения жидкостей в резервуарах. Установка вихревой трубы в тракте подачи к барботеру газа позволяет снизить температуру последнего и регулировать ее. Таким образом, в известном решении вихревая труба используется в качестве холодильника.

Недостатками известного аппарата являются следующие. Во-первых, известное устройство может использоваться лишь для тушения горения жидкостей в резервуарах, и не может быть применено в мобильных системах тушения пожаров. Во-вторых, узел генерирования пены, состоящий из барботера и форсунки, занимают малую часть аппарата; это приводит к тому, что всплывающие пузыри изменяются и по форме, и по размеру, что в целом препятствует получению однородной пены.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для приготовления строительной пены (МПК⁷ В28С 5/38, пат. РФ №2211141), предназначенное для приготовления строительной пены в производстве пеноматериалов. Устройство для приготовления строительной пены содержит рабочую камеру в виде трубы с выходным патрубком и сетками, с уложенной между последними насыпной насадкой из массообменных тел, соединенную с выходной стороной камеры предварительного смешения, имеющей с входной стороны патрубки для подачи раствора пенообразователя и сжатого воздуха. Насадка в рабочей камере расположена непрерывным слоем. Массообменные тела в указанной насадке выполнены в виде сопел, имеющих осесимметричные формы сопла Лаваля, или конфузора, сопряженного с цилиндром. Камера предварительного смешения имеет форму цилиндра с соосно расположенным в ее входном конце патрубком для подачи сжатого воздуха. Входной патрубок для подачи раствора пенообразователя выполнен в виде эжектора и расположен в средней части указанной камеры. Известное устройство позволяет уменьшить энергозатраты на генерирование пены, обеспечить наибольшую кратность пены и ее однородность.

Недостатками известного устройства являются, во-первых, довольно высокое гидравлическое сопротивление насадки, расположенной в рабочей камере непрерывным слоем; во-вторых, конструкция устройства не позволяет оперативно регулировать кратность пены, что затрудняет автоматизацию устройства. Кроме того, гидравлическое сопротивление устройства столь высоко, что не позволяет использовать сопловой узел известного устройства в качестве вакуум-насоса для засасывания газа, и его приходится подавать при помощи дополнительных устройств (компрессора).

Задача предлагаемого изобретения - обеспечить мобильность устройства для генерирования пены, повысить однородность генерируемой пены по размерам и распределению пузырьков, снизить гидравлическое сопротивление устройства, облегчить оперативное регулирование кратности пены.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для генерирования пены, включающем диспергатор, емкость с жидким пенообразующим веществом, насос, трубопроводы, регулирующие клапаны и патрубки, согласно изобретению диспергатор включает корпус и установленный соосно с ним обтекатель, выполненный с возможностью регулирования его положения относительно корпуса при помощи регулировочного механизма, причем корпус выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, содержит установленное соосно с корпусом сопло, снабженное патрубком ввода газа, и снабжен подводящими патрубками подачи жидкого пенообразующего вещества, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и подключено к линии всасывания газа.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства, на фиг.2 показан поперечный разрез А-А.

Устройство для генерирования пены (фиг.1) состоит из диспергатора 1, емкости 2 с жидким пенообразующим веществом, насоса 3, трубопровода 4 для подачи жидкого пенообразующего вещества и трубопровода 5 для ввода газа, регулирующих клапанов 6 и 7 на трубопроводах 4 и 5 соответственно. Для обеспечения повышенной мобильности трубопровод 4 может быть выполнен гибким (например, в виде гофрированного или армированного шланга), а трубопровод 5 может быть предельно коротким. Диспергатор включает корпус 8 и установленный соосно с ним обтекатель 9, выполненный с возможностью регулирования положения относительно корпуса при помощи регулировочного механизма 10 (на фиг.1 показан вариант винтового механизма 10). Корпус 8 выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндроконического конфузора 11, горловины 12 и диффузора 13. В корпусе 8 соосно с ним установлено сопло 14, которое выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса 8 при помощи специального механизма (с винтовой передачей, с механизмом типа параллелограмма, с гидравлическим цилиндром и т.д., на фиг.1 условно не показан). Сопло 14 снабжено патрубком 15 ввода газа, к которому подключен трубопровод 5. Корпус 8 снабжен подводящими патрубками 16 подачи жидкого пенообразующего вещества (на фиг.1 показан вариант одного патрубка 16), каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси. Для герметизации патрубков 16 в корпусе 8 выполнены уплотнения 17, например, типа сальникового (фиг.2).

Образующаяся в устройстве пена подается на объект горения, в том числе на поверхность горящей жидкости в емкости 18 (при использовании устройства при тушении горения).

При использовании устройства в производстве строительных пеноматериалов образовавшуюся пену подают в емкость 18 для сбора пены, в дальнейшем перемешивают с водной дисперсией вяжущего (с цементным или гипсовым тестом), а при необходимости с мелким заполнителем, и получают пенобетонную или пеногипсовую смесь. Образовавшуюся смесь заливают в формы или опалубку (не относятся к устройству для приготовления пены, на фиг.1 не показаны), и изготавливают соответственно изделию или конструкции из пенобетона или пеногипса.

При тушении пожаров на объектах больших размеров по площади объекта (например, емкости 18) может быть распределено несколько диспергаторов 1 с общими емкостью 2 с жидким пенообразующим веществом и насосом 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После заполнения емкости 2 включают насос 3 и устанавливают положения регулирующих клапанов 6 и 7 так, чтобы обеспечить необходимое соотношение расходов жидкого пенообразующего вещества и газа. Жидкое пенообразующее вещество, поступающее через патрубки 16 в корпус 8, приобретает вращательное движение вокруг оси корпуса 8 с большой скоростью, направленной под углом к поперечному сечению А-А корпуса 2, проходящему через оси патрубков 16. По мере движения жидкого пенообразующего вещества по конфузору 11 к горловине 12 окружная составляющая ее скорости увеличивается. Кроме того, за счет сужающейся формы конфузора 11 в горловине 12 достигает максимума и осевая составляющая скорости. Таким образом, в зоне входа в горловину 12 и осевая, и окружная составляющие скорости жидкости достигают максимальных значений. В соответствии с законом сохранения энергии давление в этой зоне принимает минимальное значение, то есть вблизи конца сопла 14 возникает большое разрежение, степень которого может быть отрегулирована его осевым перемещением относительно корпуса 8. В результате этого вблизи выхода из сопла 14 складываются условия (высокая скорость вращательного и осевого движения, значительное разрежение), способствующие передаче осевого импульса и момента импульса от жидкого пенообразующего вещества к газу, подаваемому через патрубок 15, вследствие чего возрастает коэффициент инжекции. Дисперсная фаза (газ) приобретает мощный импульс от вращающейся жидкой сплошной фазы и интенсивно закручивается в горловине 12, служащей камерой смешения, где образуется тонкодисперсная система жидкость - газ. За счет высокоскоростного вихревого течения в горловине 12 и локализованного вблизи горловины 12 поля высоких касательных напряжений происходит тонкое диспергирование газообразной дисперсной фазы, что, в конечном счете, приводит к увеличению устойчивости и кратности образующейся в предлагаемом устройстве пены.

Образовавшаяся в корпусе 8 закрученная газожидкостная смесь движется далее через диффузор 13, при этом высокая дисперсность газа сохраняется, так как пузырьки, находясь в поле больших касательных напряжений, не способны к слиянию и укрупнению.

В узком кольцевом зазоре между диффузором 13 и обтекателем 9 происходит возрастание давления и падение вращательной (тангенциальной) составляющей скорости, однако осевая составляющая скорости потока увеличивается, что приводит к повторному возрастанию касательных напряжений, препятствующих слиянию пузырей. Все это способствует образованию в устройстве устойчивой мелкодисперсной пены, позволяющей приготовить строительные пеноматериалы высокой прочности, а также получить стойкую пену для тушения пожаров. Увеличению стойкости пены способствует также наличие в жидком пенообразующем растворе поверхностно-активных веществ, "бронирующих" поверхность пузырей путем создания на границе раздела фаз сольватной оболочки (Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. - Л.: Химия, 1974. - С.291).

При необходимости получения крупнодисперсной пены положение обтекателя 9 может быть отрегулировано при помощи механизма 10 так, чтобы увеличить зазор между диффузором 13 и обтекателем 9. При этом в движущейся по диффузору газожидкостной смеси будет происходить достаточно быстрое увеличение давления, за счет чего объем пузырей и их размеры будет увеличиваться по мере продвижения вдоль диффузора 13.

Истекающая из диффузора 13 пена в случае использования устройства для тушения пожаров попадает на объект горения, расположенный на открытой местности либо находящийся в емкости 18. В случае использования устройства для производства строительных пеноматериалов истекаюшую из диффузора 13 пену подают в емкость 18, перемешивают с цементным или гипсовым тестом, а также с необходимыми наполнителями, и затем образовавшейся массой заполняют формы или опалубку.

Возможность поворота вокруг своей оси патрубков 16 позволяет добиться необходимого соотношения между тангенциальной и осевой составляющими скорости в патрубках 16. Возможность осевого перемещения сопла 14 относительно корпуса позволяет регулировать коэффициент инжекции устройства и добиться необходимой кратности пены. Регулирующие клапаны 6 и 7 позволяют точно настроить необходимое соотношение расходов жидкого пенообразующего вещества и газа. Механизм 10 обеспечивает регулировку кратности пены, крупности образующихся пузырей.

Пример конкретного выполнения. Устройство для генерирования пены выполнено по схеме, изображенной на фиг.1. Корпус 8 выполнен из стекла с одним подводящим патрубком 16, в который насосом 3 под давлением 1,5 кгс/см² (изб.) со скоростью 5 м/с нагнетается жидкий пенообразующий раствор (водный раствор бытового моющего вещества). Поток воздуха подсасывается через патрубок 15 в сопло 14 за счет возникающего в устройстве разрежения. Наблюдения через прозрачные стенки корпуса 8 показали, что в непосредственной близости от торца сопла 14 образуется тонкодисперсная газожидкостная смесь, практически равномерно заполняющая объем горловины и диффузора. Коэффициент инжекции при этом составлял 0,9-1,0, а размер пузырей не превышал 1 мм. Истекающая из диффузора 13 пена поступала в емкость 18, где сохраняла стабильность в течение 5 часов.

Устройство может легко перемещаться по поверхности очага возгорания (в случае производства строительных пеноматериалов - по поверхности камеры-сборника пены). Визуальный осмотр показал, что образующаяся пена характеризуется достаточно высокой однородностью пузырей, а размеры их практически одинаковы и составляют 1,5-2 мм. Устройство обладает низким сопротивлением и позволяет гибко регулировать кратность пены различными способами: путем изменения положения обтекателя, посредством изменения сопротивления регулирующих клапанов 6 и 7, путем изменения положения сопла 14 относительно корпуса 8, а также за счет регулирования угла поворота патрубков 16 вокруг своей оси.

Таким образом, предлагаемое устройство для генерирования пены является мобильным, так как оно способно всасывать газ без дополнительных устройств (компрессоров, газодувок); оно позволяет повысить однородность генерируемой пены по размерам и распределению пузырьков за счет использования высокоинтенсивных диспергирующих воздействий на газовую фазу в вихревом потоке с большими касательными напряжениями; использование пустотелого корпуса без насадки дает возможность снизить гидравлическое сопротивление устройства, а применение нескольких способов регулировки позволяет облегчить оперативное регулирование кратности пены.

Изобретение относится к устройствам для генерирования пены и может быть использовано в противопожарной технике - для приготовления пены, подаваемой на поверхность горящей жидкости, в химической технологии для формирования пены, используемой в реакционных и газоочистных процессах, а также в строительной промышленности - для приготовления строительной пены в производстве пеноматериалов (пенобетона, пеногипса) с использованием пенообразующего вещества. Устройство для генерирования пены состоит из диспергатора 1, емкости 2 с жидким пенообразующим веществом, насоса 3, трубопровода 4 для подачи жидкого пенообразующего вещества и трубопровода 5 для ввода газа, регулирующих клапанов 6 и 7 на трубопроводах 4 и 5 соответственно. Диспергатор включает корпус 8 и установленный соосно с ним обтекатель 9, выполненный с возможностью регулирования положения относительно корпуса при помощи регулировочного механизма 10. Корпус 8 выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндроконического конфузора 11, горловины 12 и диффузора 13. В корпусе 8 соосно с ним установлено сопло 14, которое выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса 8 при помощи специального механизма. Сопло 14 снабжено патрубком 15 ввода газа, к которому подключен трубопровод 5. Корпус 8 снабжен подводящими патрубками 16 подачи жидкого пенообразующего вещества, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси. Для герметизации патрубков 16 в корпусе 8 выполнены уплотнения, например, типа сальникового. Образующаяся в устройстве пена подается на объект горения, в том числе на поверхность горящей жидкости в емкости 18 (при использовании устройства при тушении горения). Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить мобильность устройства для генерирования пены, повысить однородность генерируемой пены по размерам и распределению пузырьков, снизить гидравлическое сопротивление устройства, облегчить оперативное регулирование кратности пены. 2 ил.

Устройство для генерирования пены, включающее диспергатор, емкость с жидким пенообразующим веществом, насос, трубопроводы, регулирующие клапаны и патрубки, отличающееся тем, что диспергатор включает корпус и установленный соосно с ним обтекатель, выполненный с возможностью регулирования его положения относительно корпуса при помощи регулировочного механизма, корпус выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, содержит установленное соосно с корпусом сопло, снабженное патрубком ввода газа, и снабжен подводящими патрубками подачи жидкого пенообразующего вещества, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и подключено к линии всасывания газа.