Устройство для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ

 

Изобретение относится к пневмоимпульсной противопожарной технике и может применяться для эффективного распыления жидких и порошкообразных веществ и тушения огня. Устройство состоит из трубы выброса переменного сечения, имеющей на выходном конце плоский упругий многосегментный клапан, резервуара для сжатого газа и быстродействующего запорного клапана, соединяющего резервуар с трубой выброса, заполняемой тушащим веществом. Специальная форма внутренней полости трубы выброса и противодавление упругого клапана на выходном конце трубы выброса позволяют достичь в импульсе сверхзвуковой скорости выброса газовой струи, что обеспечивает эффективное распыление тушащих веществ и высокую энергию их импульсного выброса. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для распыления жидких и порошкообразных веществ в газовой среде и импульсной подачи распыленных или твердых веществ, преимущественно может быть использовано в противопожарной технике для тушения огня.

Известно устройство для импульсного распыления и подачи воды в очаг пожара (А. с. СССР N 1463319, кл. МПК A 62 C 31/02, 1989), содержащее цилиндрический корпус, являющийся резервуаром для сжатого газа, установленную коаксиально внутри корпуса цилиндрическую трубу выброса, соединяющуюся с резервуаром для газа пневматическим клапаном, расположенным внутри резервуара с газом у входного торца трубы выброса для его перекрытия. Внутренняя полость пневмоклапана образует подпорную камеру, обеспечивающую запирание трубы выброса при подаче сжатого воздуха в подпорную камеру и отпирание при сбросе давления из полости пневмоклапана. На выходном конце цилиндрической трубы выброса установлен клапан с гидроусилителем. Недостатками этого устройства являются низкие скорость и энергия выброса распыленной воды и недостаточное качество распыления воды, а следовательно, и эффективность тушения огня.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению по количеству общих существенных признаков и достигаемому результату является устройство для импульсного тушения огня (патент США N 5664631, кл. МПК A 62 C 13/68, НКИ 169/70, 09.09.97.), содержащее цилиндрическую трубу выброса, приспособленную для заполнения тушащим жидким или порошкообразным веществом, и резервуар для сжатого газа, выходное отверстие которого соединено с трубой выброса через быстродействующий запорный клапан, имеющий закрытое и открытое положения.

При работе этого устройства также не обеспечивается тонкое распыление тушащих веществ, недостаточны энергия и скорость выброса тушащих веществ. Эти недостатки снижают эффективность действия устройства и тушения огня.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности действия устройства. Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является увеличение динамических характеристик потока распыленного вещества и энергии импульсного выброса с одновременным увеличением степени распыления вещества.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для импульсного распыления и подачи тушащих веществ, содержащем по крайней мере одну трубу выброса, имеющую входной и выходной концы и приспособленную для заполнения распыляемым веществом, резервуар для сжатого газа, выходное отверстие которого соединено с трубой выброса через быстродействующий запорный клапан, имеющий открытое и закрытое положения, согласно изобретению внутренняя полость трубы выброса выполнена с переменным сечением.

Выполнение внутренней полости трубы с переменным сечением обеспечивает наиболее высокую линейную скорость выброса распыленной смеси и увеличение степени ее распыления. Профиль сечения внутренней полости трубы выброса близок профилю сопла Лаваля, рассчитывается специальным образом и зависит от величины давления газа в резервуаре, крутизны фронта нарастания давления в трубе выброса, соотношения объемов "газ - жидкость" или "газ - порошок" и конструктивных размеров трубы выброса.

Из теории гидродинамики и распыления струи жидкости известно, что дробление струи жидкости и капель на более мелкие происходит при равенстве силы поверхностного натяжения и силы аэродинамического сопротивления капель тогда где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; D_к - диаметр крупной (до распыления) капли жидкости; D_м - диаметр мелкой распыленной капли струи; ρ - плотность газа; V - скорость движения газа; C - коэффициент аэродинамического сопротивления капли (шара) жидкости.

Из этого следует, что диаметр распыленной капли струи жидкости D_м уменьшается при увеличении силы аэродинамического сопротивления (коэффициента С) и скорости газа V, обтекающего каплю. Для порошкообразных веществ степень распыления определяется силами взаимного сцепления отдельных частиц, аналогичными силе поверхностного натяжения жидкости.

Выполнение внутренней полости трубы выброса с переменным сечением, имеющим сужение между входным и выходным концами трубы, и расширяющееся сопло в выходном конце трубы обеспечивают значительное увеличение скорости потока газа при импульсном выбросе до значений, превышающих скорость звука в газовой среде. При этом наиболее полно используется перепад давлений газа на входном и выходном концах трубы выброса устройства и оптимальным образом преобразуется потенциальная энергия сжатого газа в кинетическую энергию выбрасываемой смеси. В свою очередь, высокая скорость газовой струи, как видно из вышеприведенной формулы, обеспечивает пропорциональное уменьшение диаметра капель распыляемой жидкости или размера частиц распыляемого вещества.

Выходной конец трубы выброса снабжен плоским многосегментным клапаном, имеющим радиальные разрезы и изготовленным из упругого материала. В качестве эластичного упругого материала может быть использована, например, резина.

Наличие в устройстве плоского многосегментного клапана обеспечивает функцию запирания трубы выброса для удержания жидкости или порошка между импульсами и увеличения силы аэродинамического сопротивления при выбросе распыляемого вещества за счет силы упругости многосегментного клапана, что увеличивает степень распыления.

Плоский многосегментный упругий клапан снабжен дренажными отверстиями, расположенными в концах радиальных разрезов. Верхняя часть входного конца трубы выброса также снабжена дренажным отверстием для выхода воздуха.

Наличие дренажных отверстий в клапане и в трубе выброса позволяет полностью заполнить полость трубы поступающей жидкостью и удалить имеющийся в трубе воздух при поступлении жидкости в трубу выброса при любой ориентации устройства. Кроме того, наличие сквозных отверстий в концах разрезов плоского клапана снижает внутренние нагрузки в материале клапана и увеличивает срок его службы.

Предлагаемое устройство для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показан общий чертеж устройства. На фиг. 2 - вид со стороны трубы выброса на плоский многосегментный клапан.

Устройство для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ содержит трубу 1 выброса, имеющую входной 2 и выходной 3 концы и приспособленную для заполнения распыляемым веществом, резервуар 4 для сжатого газа, имеющий выходное отверстие 5. Внутри входного 2 конца трубы 1 выброса расположена подпорная камера 6, корпус которой имеет обтекаемую форму, что способствует формированию требуемого профиля сечения трубы выброса. В подпорную камеру 6 входит подвижно одним торцом быстродействующий запорный клапан 7, имеющий открытое и закрытое положения и снабженный тороидальными уплотнительными кольцами 8, обеспечивающими герметичность подпорной камеры 6. Внутренняя полость трубы 1 выброса выполнена с профилем переменного сечения, имеющим сужение 9 и расширяющееся сопло у выходного 3 конца трубы 1 выброса, что позволяет получить сверхзвуковые скорости истечения аэрозольной струи. На выходном 3 конце трубы 1 выброса закреплен с помощью накидной гайки 10 плоский клапан 11, выполненный из резины и состоящий из плоских сегментов 12. На концах разрезов между лепестками сегментов 12 выполнены дренажные сквозные отверстия 13 малого диаметра. Входной 2 конец трубы 1 выброса в верхней части также имеет дренажное отверстие 14 малого диаметра, соединяющее полость трубы 1 с атмосферой. Запорный клапан 7 одним концом входит в подпорную камеру 6, которая соединена с магистралью 15 сжатого газа через двухходовый клапан 16 управления, имеющий три рабочих положения, а резервуар 4 соединен с подпорной камерой 6 через обратный клапан 17 и пневматический дроссель 18. Труба 1 выброса соединена с магистралью 19 жидкости через вентиль 20, обратный клапан 21, который не пропускает обратно в магистраль импульсы высокого давления, возникающие при работе устройства, и штуцер 22. Подключение к газовой магистрали осуществляется с помощью штуцеров 23 и 24.

Устройство работает следующим образом.

Трубу 1 выброса заполняют распыляемым веществом, например водой, из магистрали 19 с напором 0,5 МПа через вентиль 20, обратный клапан 21 и штуцер 22. К устройству одновременно через клапан 16 управления подают сжатый газ из магистрали 15. Поступающая в трубу 1 выброса вода вытесняет имеющийся там воздух через ориентированное вверх дренажное отверстие 14 малого диаметра и дренажные отверстия 13 плоского клапана 11, заполняет полость трубы 1 жидкостью полностью без воздушных пузырей. Упругость материала плоского клапана 11 такова, что давления жидкости (обычно 0,5-0,6 МПа) в магистрали 19 и полости трубы 1 недостаточно для открытия сегментов 12 плоского клапана 11. Сжатый газ поступает непосредственно в подпорную камеру 6, передвигает запорный клапан 7 в закрытое положение и запирает выходное отверстие 5 резервуара 4 торцевой поверхностью клапана 7. Одновременно сжатый газ поступает через дроссель 18 в резервуар 4. При этом давление газа в подпорной камере 6 равно давлению в магистрали 15, а давление газа в резервуаре 4 медленно возрастает до магистрального. Запорный клапан 7 со стороны, входящей в подпорную камеру 6, имеет площадь сечения несколько большую, чем площадь сечения уплотняемого отверстия 5 резервуара 4, что позволяет клапану 7 оставаться запертым даже при уравнивании давлений газа в подпорной камере 6 и резервуаре 4. Далее, после полного заполнения жидкостью трубы 1 выброса клапан 16 управления переводится в другое положение, в котором перекрывается магистраль газа 15, а подпорная камера 6 сообщается с атмосферой. Обратный клапан 17 препятствует обратному выходу газа из резервуара 4 в атмосферу. Давление газа в подпорной камере 6 при этом резко падает и клапан 7 мгновенно открывается под действием давления газа из резервуара 4, открывает отверстие 5 и обеспечивает проход газа из резервуара 4 во входной конец 2 трубы 1 выброса. Прорыв газа высокого давления в полость трубы 1 выброса вызывает образование газожидкостной смеси и резкое повышение давления в трубе 1 до величины давления газа в резервуаре 4. Под действием этого давления открываются наружу сегменты 12 плоского клапана 11 и происходит интенсивный выброс распыляемого вещества из трубы 1 наружу. По окончании процесса выброса распыляемого вещества давление в резервуаре 4 и полости трубы 1 снижается, закрывается плоский клапан 11 и устройство вновь готово для заполнения водой от магистрали 19, через вентиль 20 и штуцер 22. Далее клапан 16 управления возвращается в начальное положение, когда подпорная камера 6 и резервуар 4 соединяются с магистралью 15 сжатого газа. Давление из подпорной камеры 6 закрывает быстродействующий клапан 7, и процесс повторяется.

Заявляемое устройство может быть использовано как в ручном варианте, так и в стационарном, большей мощности. В ручном варианте устройство снабжено рукоятками для удержания его оператором и имеет объем полости трубы выброса около 1 литра. Давление газа в магистрали 3,5-4,0 МПа. Увеличение объема полости трубы выброса и давления газа ограничено реакцией отдачи устройства. Для удобства оператора работа вентиля и клапана управления может быть синхронизирована. Объем резервуара для сжатого газа примерно равен объему полости трубы выброса. Подача жидкости и сжатого газа может осуществляться гибкими шлангами, подсоединяемыми к штуцерам. Наружная поверхность трубы выброса имеет цилиндрическую поверхность либо выполняется как тонкостенная деталь с профилем переменного сечения.

Устройство, выполненное как стационарная установка, размещается на автомобиле. В этом случае объем полости трубы выброса увеличивается для увеличения общей мощности, дальности и эффективности действия, что может быть достигнуто также при увеличении количества труб выброса (например, четыре, шесть и т.д.).

Экспериментальные испытания устройства, выполненного согласно изобретению, а также их сравнительные с прототипом испытания показали его высокую эффективность при тушении огня в различных условиях, высокую энергию и проникающую способность газожидкостного выброса и степень распыления веществ.

Формула изобретения

1. Устройство для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ, содержащее по крайней мере одну трубу выброса, имеющую входной и выходной концы и приспособленную для заполнения распыляемым веществом, резервуар для сжатого газа, выходное отверстие которого соединено с трубой выброса через быстродействующий запорный клапан, имеющий открытое и закрытое положения, отличающееся тем, что внутренняя полость трубы выброса выполнена с переменным сечением, имеющим сужение и расширяющееся сопло в выходном конце трубы выброса, который снабжен плоским клапаном, изготовленным из упругого материала и имеющим радиальные разрезы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что профиль сечения внутренней полости трубы выброса близок профилю сопла Лаваля.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что плоский упругий клапан снабжен дренажными отверстиями, расположенными в концах радиальных разрезов, кроме того, верхняя часть входного конца трубы выброса снабжена дренажным отверстием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2