ГЕНЕРАТОР ПЕНЫ ВЫСОКОЙ КРАТНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА Российский патент 2023 года по МПК A62C5/02 A62C31/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройствам пожаротушения, в частности к генераторам пены высокой кратности динамического типа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Воздушно-механическая пена как огнетушащее вещество применяется для тушения пожаров уже нескольких десятков лет. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек – пузырьков газа, в частном случае воздуха, разделённых плёнками воды, содержащей стабилизатор – пенообразователь. Огнетушащая эффективность пены определяется её изолирующими и охлаждающими свойствами. Формируя паронепроницаемый слой на поверхности горючего вещества, пена изолирует его от поступления горючих паров в зону горения. Содержащаяся в пене вода за счет своей высокой удельной теплоемкости обеспечивает охлаждение нагретого слоя горючего вещества. Таким образом, соотношение воды и газа в воздушно-механической пене является критически важным параметром. Если при формировании пены содержание воздуха в пузырьках превышает заданное, получается так называемая «сухая» пена с низким содержанием воды; охлаждающая способность такой пены недостаточна для эффективного тушения огня. Если же содержание воздуха в пузырьках меньше заданного, получается так называемая «тяжелая» пена, у которой снижена изолирующая способность.

Еще одной характеристикой пены является кратность, то есть соотношение объема полученной пены к объему пенообразователя. В соответствии с ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров» пены по кратности подразделяют на три типа: пены низкой кратности – объем пены не превышает 20 объемов пенообразователя; пены средней кратности – объем пены не менее 60 объемов пенообразователя; пены высокой кратности – объем пены не менее 200 объемов пенообразователя.

Воздушно-механическую пену получают при помощи специальных устройств - пеногенераторов путем эжекции или принудительной подачи воздуха или другого газа. Специалистам в области пожаротушения широко известны генераторы пены динамического типа (например, такие, как раскрыты в документах US3428131, US3999612, WO9428976). Принцип их действия заключается в следующем: рабочий раствор пенообразователя под давлением подается в систему форсунок, расположенных с возможностью вращения вокруг и под углом к оси устройства. Струи пенообразователя, выходящие из форсунок, направляют на сетчатый корпус устройства. В результате выхода струй пенообразователя из форсунок возникает реактивная сила, которая обеспечивает вращение форсунок относительно корпуса устройства и приводит во вращение крыльчатку, закрепленную на том же валу, что и система форсунок. Вращение крыльчатки обеспечивает поступление воздуха в сетчатый корпус устройства, формируя воздушно-капельную систему, которая, проходя через отверстия сетчатого корпуса, образует пену.

Преимуществами генераторов пены высокой кратности динамического типа в сравнении с генераторами пены эжекционного типа являются меньшие массогабаритные характеристики, возможность применения форсунок с большим диаметром сопел, что предотвращает их закупорку в процессе эксплуатации при рабочих режимах, более высококачественное пенообразование за счет дополнительного нагнетания воздуха в зону смешения.

Одним из недостатков известных генераторов пены эжекционного типа является невозможность обеспечения стабильной скорости и качества пенообразования в условиях снижения давления раствора пенообразователя на входном патрубке ниже определенного значения. Сниженное давление может быть обусловлено, в частности, протяженностью сети подачи пенообразователя, невозможностью обеспечения дополнительных средств повышения давления в трубопроводах в силу конструктивных особенностей защищаемого сооружения, например, в больших логистических комплексах.

Еще одним недостатком известных генераторов пены эжекционного типа является относительно большой вес и габариты изделий по сравнению с генератором динамического типа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачами, на решение которых направлено заявленное изобретение, является устранение недостатков устройств, известных из уровня техники, а также расширение арсенала известных средств пожаротушения.

Применение заявленного изобретения обеспечивает достижение следующих технических результатов:

- сохранение качества пенообразования при эксплуатации в системах с невысоким давлением пенообразователя;

- снижение массогабаритных характеристик устройства;

- снижение общей ресурсоемкости системы пожаротушения за счет отсутствия промежуточных насосов поддержания рабочего давления;

- упрощение эксплуатации системы пожаротушения и повышение ее надежности за счет снижения количества обслуживаемых элементов системы.

Поставленные задачи решаются, а технические результаты достигаются за счет того, что генератор пены высокой кратности включает цилиндрический корпус c сеткой и входной патрубок для ввода пенообразующего состава, множество форсунок, укрепленных на полых штангах внутри корпуса с возможностью вращения вокруг вала посредством узла вращения, и крыльчатку, жестко связанную с узлом вращения с обеспечением возможности вращения вокруг вала, при этом длина штанги составляет от 30% до 50% радиуса цилиндрического корпуса.

Поставленные задачи решаются, а технические результаты достигаются также за счет того, что узел вращения включает подшипник, выполненный из композитного материала с графитовым наполнением, в частности из капролона.

Поставленные задачи решаются, а технические результаты достигаются также за счет того, что форсунки являются полноконусными форсунками и имеют форму «рыбий хвост».

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1а, 1б – генератор пены высокой кратности, общий вид;

Фиг. 2 – узел вращения;

Фиг. 3 – форсунка;

Фиг. 4а, 4б – изменение профиля струи в зависимости от типа форсунки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1а, 1б изображен генератор пены высокой кратности в соответствии с заявленным изобретением.

Цилиндрический корпус 1 генератора пены с одного своего торца соединен с сеткой 2, цилиндрическая окружность и торец которой оснащены просечными отверстиями. Другой торец корпуса 1 оснащен крестовиной, на которой установлены внутренние компоненты заявленного устройства, а также входным патрубком 3 для подачи пенообразующего раствора.

Внутри корпуса 1 на полых штангах 5, установленных с возможностью вращения вокруг полого вала 6 посредством узла вращения, размещены множество форсунок 4.

Как показано на фиг. 2, узел вращения включает подшипник 7.1 скольжения, торцевую пробку 7.2 и ступицу 7.3 вращения. Ступица 7.3 вращения вращается вокруг полого вала 6 посредством подшипника 7.1 скольжения. При этом узел вращения со своего торца закрыт торцевой пробкой 7.2.

Чем больше форсунок 4, тем более равномерно осуществляется вращение подвижных частей устройства под действием реактивных сил в процессе эксплуатации. Однако с увеличением количества форсунок 4 возрастает и масса устройства. Авторы изобретения установили, что для устройства, предназначенного для работы в условиях эксплуатации в системах с невысоким давлением пенообразователя, оптимальным является конструкция с количеством форсунок 4 от 4 до 8.

Форсунки 4 располагаются равномерно по окружности узла вращения и предпочтительно в одной плоскости, так чтобы оси сопел форсунок 4 были параллельны друг другу и направлены под углом к оси полого вала (6) .

Для обеспечения максимальной площади контакта пятна распыла пенообразующей жидкости с сеткой (2) в предпочтительном варианте осуществления изобретения применяются форсунки 4 полноконусного распыла. За счет этого существенно повышается эффективность пенообразования.

На производительность устройства влияет также профиль струи жидкости, подаваемой из форсунок. Так, при профиле «круг» (см. фиг. 4а) при вращении форсунок вторая половина струи фактически смывает пленку, сформированную на поверхности сетки первой половиной. Кроме того, при использовании такого вида форсунок наблюдается повышенный расход раствора пенообразователя по отношению к готовой воздушно-механической пене. Поэтому наиболее оптимально применение форсунок в форме так называемого «рыбий хвоста» (фиг. 3), профиль струи которых представляет собой узкий овал (фиг. 4б). При таком профиле струи смыв пленки удается предотвратить, а наполнение пузырьков пены происходит в течение более продолжительного времени.

Полые штанги 5 неподвижно соединены с узлом вращения, который насажен на полый вал 6 с возможностью вращения вокруг указанного вала.

Между штангами 5 и входным патрубком 3 расположена крыльчатка 8, неподвижно соединенная с узлом вращения.

Работает устройство следующим образом.

Пенообразующая жидкость, подаваемая под давлением в устройство через входной патрубок 3, поступает через полые штанги 5 на форсунки 4. Истечение жидкости из форсунок 4 вызывает возникновение реактивной силы, под действием которой форсунки 4, расположенные под углом к оси устройства, приходят во вращательное движение. Будучи соединенными посредством штанг 5 с узлом вращения, форсунки таким образом приводят его в движение. Соответственно приводится в движение и неподвижно соединенная с узлом вращения крыльчатка 8.

Вращающаяся крыльчатка 8 нагнетает воздух в область нахождения капель пенообразующей жидкости, распыляемой форсунками, благодаря чему формируется воздушно-капельная смесь.

Пенообразующая жидкость, распыляемая форсунками, достигает сетки 2 с образованием пятна контакта, и далее, под воздействием нагнетенного воздуха, проходя через отверстия сетки 2, формирует воздушно-механическую пену высокого качества.

Авторы определили параметры наибольшего благоприятствования для образования пены оптимального качества, обеспечивающего эффективное тушение пожара в закрытых помещениях. В ходе натурных экспериментов было установлено, что кратность пены в диапазоне от 500 до 600 обеспечивает наилучшее удельное содержание воды, то есть, соотношение воды к заданному объему пены. Именно в этом диапазоне кратности наблюдается максимальный охлаждающий эффект с сохранением других преимуществ применения пены высокой кратности. При превышении данных значений охлаждающая способность высокократной пены падает за счет уменьшения удельного содержания воды.

На качество пенообразования влияет скорость нагнетания воздуха крыльчаткой 8 в область нахождения распыленной форсунками 4 пенообразующей жидкости. Скорость нагнетания воздуха, определяемая по существу частотой вращения крыльчатки 8, должна находиться в определенном диапазоне. Если скорость превышает верхнюю границу диапазона, соотношение жидкости и воздуха в пузырьках пены уменьшится; получаемую пену можно охарактеризовать как «сухую», с ухудшением охлаждающих свойств за счет снижения удельного содержания воды. Если скорость нагнетания воздуха оказывается меньше нижней границы диапазона, соотношение жидкости и воздуха в пузырьках пены не будет соответствовать критериям пены высокой кратности по ГОСТ 50588-20212; получаемую пену можно охарактеризовать как «тяжелую», соответствующую типу пены средней кратности.

В свою очередь, частота вращения крыльчатки 8 определяется, в частности, мощностью, развиваемой при реактивном движении форсунок 4, и направленной на преодоление сил трения в узле вращения.

Развиваемая мощность тем выше, чем длиннее штанга 5, на которой укреплена форсунка 4.

С другой стороны, чем ближе расположена форсунка к сетке, тем пятно контакта распыляемой жидкости с сетчатой структурой меньше по площади, что снижает качество пенообразования.

При относительно невысоком (2-4 бар) давлении пенообразующей жидкости на входном патрубке и, соответственно, более низкой развиваемой мощности, рациональным представляется снижение трения в узле вращения, а также снижение массы компонентов.

Для этого, в преимущественном варианте осуществления изобретения, подшипник узла вращения (7.1) выполняют из композитного материала с графитовым наполнением (капролон).

За счет снижения усилия, необходимого для того, чтобы частота вращения крыльчатки, а соответственно и скорость нагнетания воздуха оставалась в заданных пределах, возможно уменьшить длину штанг 5 для максимизации пятна контакта распыляемой форсунками жидкости с сеткой. Однако чрезмерное уменьшение длины штанги приведет к недостаточной мощности реактивной системы.

Авторами было установлено, что наилучшее качество пенообразования обеспечивается при соотношении длины штанги к радиусу корпуса генератора от 30% до 50%. Результаты экспериментов представлены в таблице ниже.

Таблица 1

Давление на входном патрубке, бар Длина штанги, % радиуса корпуса <30 30 40 50 >50 2 Срыв пенообразования Удовлетв. Удовлетв. Удовлетв. Срыв пенообразования 3 Срыв пенообразования Удовлетв. Удовлетв. Удовлетв. Срыв пенообразования 4 Срыв пенообразования Удовлетв. Удовлетв. Удовлетв. Срыв пенообразования

Мощность, развиваемая реактивной системой форсунок, определяется также расположением форсунок относительно продольной оси устройства, по существу совпадающей с осью вала. При этом угол, образованный осью форсунки и осью вала (угол установки форсунок), должен быть одним и тем же для каждой из форсунок.

Авторами было установлено, что наилучшее качество пенообразования обеспечивается, когда угол установки форсунок лежит в диапазоне от 38 до 46 градусов. Наилучший вариант осуществления изобретения реализуется, когда угол установки форсунок составляет 42 градуса. Если угол установки форсунок превышает 46 градусов, мощность, развиваемая реактивной системой форсунок, падает ниже оптимальных значений. Из-за этого пена на выходе из устройства становится «тяжелой», и снижается ее объемная огнетушащая способность. Если угол установки форсунок составит меньше 38 градусов, то мощность, развиваемая реактивной системой форсунок, превышает оптимальные значения. Из-за этого массовая доля воды в объеме пены снижается, пена становится «сухой», за счет чего снижается её объемная огнетушащая способность. При угле установки форсунок в 42 градуса кратность пены в заявленном генераторе достигает 550-580, что является оптимальным показателем. Также оптимальным при данном значении угла установки форсунок является массовая доля воды в объеме пены.

При реализации изобретения в преимущественных вариантах удалось достичь следующих показателей (при входном давлении на патрубке в диапазоне от 2 до 4 бар):

Кратность пены – 550 ± 5%;

Снижение массы в 2,3 раза по сравнению с аналогами;

Возможность установки как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Таким образом, предлагаемая конструкция генератора обеспечивает сохранение качества пенообразования при эксплуатации в системах с невысоким давлением пенообразователя. Соответственно снижается общая ресурсоемкость системы пожаротушения за счет отсутствия необходимости в промежуточных насосах поддержания рабочего давления. Кроме того, упрощается эксплуатация системы пожаротушения и повышение ее надежности за счет снижения количества обслуживаемых элементов системы.

Перечень позиций:

1. корпус;

2. сетка;

3. входной патрубок;

4. форсунка;

5. штанга;

6. вал.

Узел вращения:

7.1. подшипник скольжения;

7.2. торцевая пробка;

7.3. ступица вращения;

8. крыльчатка;

9. профиль струи жидкости.

Изобретение относится к области пожаротушения, а именно к генератору пены высокой кратности динамического типа, обеспечивающему сохранение качества пенообразования при эксплуатации в системах с невысоким давлением пенообразователя; снижение массогабаритных характеристик устройства; снижение общей ресурсоемкости системы пожаротушения за счет отсутствия промежуточных насосов поддержания рабочего давления; упрощение эксплуатации системы пожаротушения и повышение ее надежности за счет снижения количества обслуживаемых элементов системы. Генератор пены высокой кратности оснащен цилиндрическим корпусом с сеткой, входым патрубком для ввода пенообразующего состава, множеством форсунок, укрепленных на полых штангах внутри корпуса с возможностью вращения вокруг полого вала посредством узла вращения, и крыльчаткой, жестко связанной с узлом вращения и выполненной с возможностью вращения вокруг вала. Длина полой штанги при этом составляет от 30% до 50% радиуса цилиндрического корпуса. Узел вращения включает подшипник, выполненный из композитного материала с графитовым наполнением. Форсунки являются полноконусными форсунками и имеют форму «рыбий хвост». 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Генератор пены высокой кратности, включающий цилиндрический корпус (1), сетку (2), входной патрубок (3) для ввода пенообразующего состава, множество форсунок (4), укрепленных на полых штангах (5) внутри корпуса (1) с возможностью вращения вокруг полого вала (6) посредством узла вращения, и крыльчатку (8), жестко связанную с узлом вращения и выполненную с возможностью вращения вокруг вала (6), отличающийся тем, что длина полой штанги (5) составляет от 30% до 50% радиуса цилиндрического корпуса (1), форсунки (4) являются полноконусными форсунками и имеют форму «рыбий хвост».

2. Генератор пены по п.1, отличающийся тем, что узел вращения включает подшипник (7.1), выполненный из композитного материала с графитовым наполнением.

3. Генератор пены по п.2, отличающийся тем, что в качестве композитного материала используют капролон.