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 их подачи в очаг огня. Устройство состоит из трубы выброса вещества, резервуара для сжатого газа и быстродействующего запорного клапана, одним концом входящего в подпорную камеру и соединяющего резервуар с трубой выброса, заполняемой распыляемым тушащим веществом. Запорный клапан выполнен в виде полого цилиндра и запирает выходное отверстие резервуара с газом с его наружной стороны, что обеспечивает при открытии клапана образование кольцевой щели, в которой поток выходящего из резервуара газа направлен от центра наружу. Уплотняемые клапаном поверхности устройства снабжены кольцевым выступом, что в совокупности обеспечивает лавинный характер открытия запорного клапана и его быстродействие. Устройство обеспечивает эффективное распыление тушащих веществ и высокую энергию их импульсного выброса за счет резкого лавинного открытия и малой массы запорного клапана за время менее 1 мс и очень малого времени нарастания давления в трубе выброса. Конструкция предусматривает как управляемый, так и автоматический режим работы устройства с требуемой частотой импульсов выброса тушащих веществ. 4 з.п. ф-лы, 6 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.

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 заявляемым решениям по количеству общих существенных признаков и достигаемому результату является устройство для импульсного тушения огня (патент США N5664631, кл. МПК A 62 C 13/68, НКИ 169/70, 9.09.97.), содержащее 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 положение.

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.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности действия устройства за счет увеличения быстродействия запорного клапана и энергии импульсного выброса с одновременным увеличением степени распыления вещества, в том числе с возможностью автоматического режима работы устройства.

Для достижения этого технического результата в устройстве для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ, содержащем по крайней мере одну трубу выброса, имеющую входной конец c входным отверстием и выходной конец, и приспособленную для заполнения тушащим веществом, резервуар для сжатого газа, имеющий выходное отверстие, запорный клапан, один конец которого выполнен в виде тарелки клапана с торцевым уплотнением, а другой в виде поршня, входящего в подпорную камеру, соединенную с магистралью газа, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено неподвижным полым цилиндром, имеющим сквозные окна в боковой стенке и установленным коаксиально с наружной стороны выходного отверстия резервуара для сжатого газа, тарелка клапана размещена с возможностью осевого перемещения внутри полого неподвижного цилиндра, образуя в открытом положении кольцевую щель, соединяющую полость резервуара для сжатого газа с трубой выброса и обеспечивающую направление потока газа от центра наружу кольцевой щели, торцевая поверхность тарелки клапана или уплотняемая тарелкой клапана торцевая поверхность резервуара для сжатого газа снабжены кольцевым выступом, диаметр которого меньше наружного диаметра тарелки клапана и больше диаметра запираемого отверстия резервуара.

Наружное относительно резервуара для сжатого газа расположение тарелки клапана внутри полого неподвижного цилиндра, установленного коаксиально с выходным отверстием резервуара для сжатого газа, обеспечивает при открывании клапана образование кольцевой щели, соединяющей резервуар с газом и трубу выброса таким образом, что поток газа при этом направлен изнутри наружу кольцевой щели, что исключает эффект "присасывания" клапана при больших скоростях газовой струи, имеющий место при ином расположении клапана и деталей запорного узла, и в совокупности обеспечивает резкий лавинный характер процесса открывания клапана.

Наличие полого неподвижного цилиндра, внутри которого перемещается тарелка клапана при его открывании, ограничивает преждевременный прорыв газа за пределы тарелки клапана и обеспечивает более быстрый его разгон и открытие.

Наличие сквозных окон в боковой стенке неподвижного полого цилиндра обеспечивает декомпрессию его внутренней полости, исключает противодавление и смягчает удары запорного клапана при его открытии.

Наличие кольцевого выступа на уплотняемых клапаном поверхностях с диаметром меньше наружного диаметра тарелки клапана и больше внутреннего диаметра запираемого выходного отверстия резервуара для сжатого газа также способствует лавинному процессу открывания клапана. Кольцевой выступ может быть выполнен как на торцевой тарелке клапана, так и на уплотняемой тарелкой клапана торцевой поверхности резервуара, эффект достигается один и тот же.

Запорный клапан имеет форму полого открытого цилиндра, а тарелка клапана образована выступающим наружным фланцем на его торце, при этом подпорная камера выполнена кольцевой формы.

Выполнение запорного клапана в виде полого открытого цилиндра позволяет значительно снизить его массу при сохранении необходимой прочности и устойчивости. Как следствие, уменьшение массы клапана пропорционально увеличивает его быстродействие, энергию импульса выброса и степень распыления вещества. Кольцевая форма подпорной камеры позволяет выполнить ее меньшим объемом, что дает возможность при работе устройства быстрее сбросить в ней давление и тем самым увеличить быстродействие клапана и крутизну фронта нарастания импульса давления в трубе выброса. Кроме того, применение полого клапана позволяет конструктивно расположить резервуар для газа вне трубы выброса или иным образом, как будет более целесообразно из конструктивных соображений.

Входное отверстие трубы выброса и выходное отверстие резервуара для сжатого газа расположены с одной стороны тарелки запорного клапана в его закрытом положении и одновременно запираются торцевым уплотнением тарелки клапана, что исключает поступление к запорному органу распыляемого вещества при заполнении им трубы выброса.

Другой вариант устройства предусматривает расположение входного отверстия трубы выброса и выходного отверстия резервуара для газа с разных сторон тарелки запорного клапана в его закрытом положении. В этом случае окна в боковой поверхности полого неподвижного цилиндра являются входными отверстиями трубы выброса. Такой вариант устройства обеспечивает более резкое открытие запорного клапана и предпочтительнее при наличии нескольких труб выброса при общем запорном клапане.

Для увеличения мощности устройства или одновременного действия в разных направлениях оно может содержать больше, чем одну трубу выброса, например, четыре, шесть, десять и т.д., которые располагаются вокруг общих резервуара для газа и быстродействующего клапана. Входные отверстия труб выброса соединяются с общим резервуаром для сжатого газа одним запорным клапаном и могут быть расположены как со стороны выходного отверстия резервуара, так и с противоположной стороны тарелки запорного клапана при его закрытом положении.

Резервуар для сжатого газа соединен с подпорной камерой последовательно через дроссель и обратный клапан, а подпорная камера соединена с магистралью сжатого газа через клапан управления, что обеспечивает возможность автоматического режима работы устройства.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами: На фиг. 1 представлена общая схема устройства для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ согласно изобретению. Разрез, пневматическая и гидравлическая схемы.

На фиг. 2 показан быстродействующий запорный орган устройства согласно изобретению. Разрез, увеличено.

На фиг. 3 представлены эпюры давлений, результирующей силы, действующей на подвижный клапан и положения клапана устройства согласно изобретению.

а) автоматический режим работы; b) управляемый режим работы.

На фиг. 4 представлена схема устройства с цилиндрическим полым клапаном согласно изобретению. Разрез.

На фиг. 5 представлена схема варианта устройства согласно изобретению с несколькими трубами выброса и общим полым клапаном, вариант взаимного расположения резервуара и труб выброса с одной стороны тарелки подвижного клапана. Разрез, вырыв.

На фиг. 6 - то же, вариант расположения резервуара для сжатого газа и труб выброса с разных сторон тарелки подвижного клапана. Разрез, вырыв.

Устройство для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ содержит трубу 1 выброса, имеющую входной 2 и выходной 3 концы, и приспособленную для заполнения тушащим веществом, резервуар 4 для сжатого газа, имеющий выходное отверстие 5, и запорный клапан 6, который состоит из тарелки 7 и поршня 8, имеющего тороидальное уплотнение 9 и входящего в подпорную камеру 10, соединенную с магистралью 11 сжатого газа через двухходовый клапан управления 12, имеющий три рабочих положения, и с резервуаром 4 для газа через обратный клапан 13 и пневматический дроссель 14. Полость трубы 1 выброса через штуцер 15, обратный клапан 16 и запорный вентиль 17 соединена с магистралью тушащей жидкости 18. Для подачи сжатого газа устройство снабжено также штуцерами 19 и 20. Тарелка 7 запорного клапана 6 расположена с возможностью продольного перемещения внутри полого неподвижного цилиндра 21, установленного снаружи резервуара 4 коаксиально с выходным отверстием 5 резервуара для сжатого газа. Неподвижный цилиндр 21 в своей боковой стенке имеет сквозные окна 22. Торцевая поверхность тарелки 7 запорного клапана 6 или сопрягаемая с ней через уплотнительную прокладку 23 торцевая поверхность резервуара 4 между отверстием 5 и неподвижным цилиндром 21 снабжена узким кольцевым выступом 24, диаметр которого D (см. фиг. 2) больше диаметра D_вн. выходного отверстия 5 резервуара 4 и меньше наружного диаметра D_н. тарелки 7 клапана 6. На выходном конце 3 трубы 1 выброса имеется плоский сегментный упругий клапан 25, закрепленный на трубе 1 зажимной гайкой 26, а на входном конце 2 трубы 1 имеются входные отверстия 27, обеспечивающие сообщение полости трубы 1 выброса с резервуаром для газа 4 при открытом положении запорного клапана 6.

Устройство работает следующим образом.

После открытия запорного вентиля 17 полость трубы 1 выброса заполняется тушащей жидкостью из магистрали 18 через вентиль 17, обратный клапан 16 и штуцер 15 под давлением около 0,5 МПа. Плоский упругий клапан 25, расположенный на выходном конце 3 трубы 1 выброса, остается закрытым и препятствует выходу жидкости из трубы 1, так как магистрального давления жидкости недостаточно для его открытия из-за упругих свойств и жесткости материала плоского клапана 25. Одновременно с открытием запорного вентиля 17 и подачей тушащей жидкости в устройство, клапан управления 12 переводится в положение, обеспечивающее подачу сжатого газа давлением 3,0 - 4,0 МПа из газовой магистрали 11 через штуцер 19 в полость подпорной камеры 10 (как показано на фиг. 1). Одновременно сжатый газ через обратный клапан 13, пневматический дроссель 14 и штуцер 20 поступает в резервуар 4, причем наличие дросселя 14 обеспечивает более медленное повышение давления в резервуаре 4, чем в подпорной камере 10. Давление сжатого газа P₀. (см. фиг. 2) в подпорной камере 10 заставляет запорный клапан 6 быстро переместиться в закрытое состояние и закрыть тарелкой 7 выходное отверстие 5 резервуара 4. Уплотнение тарелки 7 запорного клапана 6 при этом происходит на уплотнительной прокладке 23 преимущественно по линии кольцевого выступа 24 и поступающий в резервуар 4 сжатый газ с давлением P_рез действует только на внутреннюю часть торцевой поверхности тарелки 7, ограниченную кольцевым выступом 24. При этом давление газа в подпорной камере 10 равно давлению в магистрали 11, а давление газа в резервуаре 4 медленно возрастает до магистрального. При этом согласно фиг. 2 выполняется соотношение: F = d²P₀ - D²P_рез.; Причем D²P_рез. < d²P₀ - до момента отпирания запорного клапана и D²P_рез. > d²P₀ - после отпирания запорного клапана; где F - суммарная сила, действующая на запорный клапан 6; D - диаметр кольцевого выступа 24; d - диаметр поршня 8 подпорной камеры 10; P₀ и P_рез. - давление газа в подпорной камере 10 и резервуаре 4 соответственно.

Очевидно, что диаметры кольцевого выступа 24 и поршня 8, входящего в подпорную камеру 10, конструктивно определяют величину давления в резервуаре 4 с газом, при котором уравниваются силы, действующие на запорный клапан 6, т. е. F = 0. На фиг. 3 показаны временные эпюры давлений и силы F, действующих на запорный клапан 6. После уравнивания сил, действующих на клапан 6 из полости подпорной камеры 10 и из резервуара 4 с газом D²P_рез. = d²P₀ возникает сила F, направленная в противоположную сторону, т.е. открывающая запорный клапан 6. После разуплотнения запорного клапана и прорыва сжатого газа за кольцевой выступ 24, площадь торцевой поверхности клапана 6, воспринимающей давление P_рез. газа из резервуара 4, резко увеличивается до максимальной, ограниченной диаметром D_н. тарелки 7. При этом соответственно лавинно увеличивается сила F, открывающая клапан 6 и происходит его интенсивный разгон и резкое открытие в направлении выхода сжатого газа из резервуара 4.

При автоматическом режиме работы устройства диаметр D кольцевого выступа 24 несколько превышает диаметр d поршня 8, входящего в подпорную камеру 10, что заставляет клапан 6 лавинно открываться при давлении P_рез. в резервуаре 4, несколько меньшем, чем давление P₀ в подпорной камере 10. Например, для открытия клапана 6 при давлении P_рез. = 0,9P₀. Диаметр кольцевого выступа 24 должен быть равен D = 1,05d. В этом случае лавинное открытие клапана 6 происходит в основном за счет резкого увеличения площади воздействия давления на тарелку 7 запорного клапана 6. Время открытия запорного клапана пропорционально его массе и обратно зависит от величины открывающей силы. В действующих устройствах согласно изобретению время открытия запорного клапана составляет 0,5-0,7 мсек при открывающей силе около 5000 Н. Эпюры сил и давлений, а также положений запорного клапана при автоматической работе устройства показаны на фиг. 3a.

После открытия клапана 6 и окон 22 в боковой стенке неподвижного цилиндра 21 давление в заполненной жидкостью или порошком полости трубы 1 выброса также мгновенно возрастает до P_рез., что приводит к открытию наружу плоского клапана 25 на выходном конце трубы 1 выброса и интенсивному взрывному выбросу сжатого газа из резервуара 4 через отверстие 5, окна 22 и входные отверстия 27 в полость трубы 1 выброса и далее наружу через открытый плоский клапан 25 с одновременным распылением тушащей жидкости и образованием аэрозольной смеси. При этом обратный клапан 16 не пропускает в жидкостную магистраль 18 импульсы высокого давления при выбросе вещества, способные повредить магистраль жидкости 18. После импульсного выброса вещества давление газа в резервуаре 4 уменьшается настолько, что клапан 6 начинает закрываться под действием силы давления P₀ из подпорной камеры 10 и запирает тарелкой 7 отверстие 5 резервуара 4 через прокладку 23. Далее полость резервуара 4 опять заполняется сжатым газом через пневматический дроссель 14 и обратный клапан 13 и процесс повторяется с периодичностью T сек (см. фиг. 3).

Период повторения импульсных выбросов при автоматической работе устройства регулируется изменением проходного сечения дросселя 14, что обуславливает время t подъема давления газа в резервуаре 4, которое должно быть не менее чем время полного заполнения трубы 1 выброса жидкостью из магистрали 18.

При необходимости работы устройства в управляемом режиме, когда каждый импульсный выброс происходит в нужное время от внешней команды, соотношение рабочей площади поршня 8 в подпорной камере 10 и площади внутри кольцевого выступа 24 должно быть иным, чем при автоматическом режиме работы. В этом случае (см. диаграмму на фиг. 3b) даже при уравнивании давлений в подпорной камере 10 и резервуаре 4 открытия клапана 6 не происходит, т.к. конструктивно d > D (на 5-7%). При установке управляющего клапана 12 (см. фиг. 1) во второе положение происходит перекрытие магистрали 11 сжатого газа и соединение полости подпорной камеры 10 с атмосферой через управляющий клапан 12, что вызывает быстрое падение давления в подпорной камере 10 и открытие клапана 6 под действием давления на тарелку 7 клапана 6 сжатого газа из резервуара 4. Далее, как и при автоматическом режиме, происходит лавинное возрастание силы отпирания, т. к. резко увеличивается площадь действия сжатого газа на тарелку 7, и мгновенное открытие клапана 6 на полную величину. Обратный клапан 13 препятствует сбросу газа из резервуара 4 через клапан 12 в атмосферу.

После импульсного выброса распыляемого вещества управляющий клапан 12 устанавливается в исходное состояние, сжатый газ подается в подпорную камеру 10, закрывает запорный клапан 6 и через дроссель 14 и обратный клапан 13 заполняет резервуар 4. Одновременно вентилем 17 через подводящий штуцер 15 производится заполнение трубы 1 выброса тушащей жидкостью и процесс повторяется.

Конструктивно, как вариант исполнения, дроссельный клапан 14 (дросселирующее отверстие) и обратный клапан 13 могут быть выполнены непосредственно в теле запорного клапана 6, соединяя полость подпорной камеры 10 и резервуара с газом 4.

Очевидно, что управление вентилем 17 подачи жидкости и клапаном подачи газа 12 можно синхронизировать, конструктивно расположив их на единой рукоятке управления устройством.

Устройство согласно изобретению с одной трубой выброса для ручного использования наиболее целесообразно использовать при давлениях газа около 3,5-4,0 МПа, массе жидкости или порошка в 1 кг и объеме резервуара с газом 1-1,5 л. При этих параметрах конструкция устройства достаточно компактна для работы и имеет приемлемую реакцию отдачи. Изготовление многоствольного устройства (фиг. 5 и 6) большой мощности целесообразно для стационарного применения или при установке на автомобиле, с дополнением амортизирующих и противооткатных устройств, т. к. при импульсном выстреле возникают значительные силы обратной отдачи.

Устройство может быть применено также для подачи твердых веществ в очаг огня. Подаваемое вещество может быть в виде брикета цилиндрической формы или в ином виде и помещается непосредственно в трубу выброса со стороны ее выходного конца.

Наибольший тушащий эффект при работе устройства проявляется при использовании сжатого азота, углекислого газа и др. негорючих или инертных газов.

Экспериментальные исследования нескольких устройств, выполненных согласно изобретению, а также их сравнительные с прототипом испытания показали их высокую эффективность при тушении огня в различных условиях, высокую энергию и проникающую способность импульсного выброса и степень распыления жидкости и порошковых тушащих веществ.

Формула изобретения

1. Устройство для импульсной подачи и мелкодисперсного распыления веществ, содержащее по крайней мере одну трубу выброса, имеющую входной конец с входным отверстием и выходной конец и приспособленную для заполнения подаваемым веществом, резервуар для сжатого газа, имеющий выходное отверстие, запорный клапан, один конец которого выполнен в виде тарелки клапана с торцевым уплотнением, а другой в виде поршня, входящего в подпорную камеру, соединенную с магистралью газа, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено полым неподвижным цилиндром, имеющим сквозные окна в боковой стенке и установленным коаксиально с наружной стороны выходного отверстия резервуара для сжатого газа, тарелка клапана размешена с возможностью осевого перемещения внутри полого неподвижного цилиндра, образуя в открытом положении кольцевую щель, соединяющую полость резервуара для сжатого газа с трубой выброса и обеспечивающую направление потока газа от центра наружу кольцевой щели, торцевая поверхность тарелки клапана или уплотняемая тарелкой клапана торцевая поверхность резервуара для сжатого газа снабжены кольцевым выступом, диаметр которого меньше наружного диаметра тарелки клапана и больше диаметра запираемого отверстия резервуара для сжатого газа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что запорный клапан имеет форму полого открытого цилиндра, а тарелка клапана образована выступающим наружным фланцем на его торце, при этом подпорная камера выполнена кольцевой формы.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что входное отверстие трубы выброса и выходное отверстие резервуара для сжатого газа расположены с одной стороны тарелки запорного клапана в его закрытом положении.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что входное отверстие трубы выброса и выходное отверстие резервуара для сжатого газа расположены с разных сторон тарелки клапана в его закрытом положении.

5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что резервуар для сжатого газа соединен с подпорной камерой последовательно через дроссель и обратный клапан, а подпорная камера соединена с магистралью сжатого газа через клапан управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6