УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТУМАНОВ И ПЕН
IMPROVED DEVICE FOR FORMATION OF FOG AND FOAM

Настоящее изобретение относится к устройству для образования туманов и/или пен из двух текучих сред.
Устройства, которые обеспечивают образование туманов вследствие взаимодействия двух текучих сред в устройстве, часто называют «распылителями для двух текучих сред» (“twin fluid atomisers”). Во многих случаях в данных распылителях используются проходные отверстия и каналы очень малого диаметра, предназначенные для прохода текучих сред по ним. Данные проходные отверстия и каналы требуют чрезвычайно высоких уровней точности при механической обработке деталей и/или сборке некоторого числа деталей вместе. Следовательно, существует вероятность, что неточная механическая обработка или сборка окажет отрицательное воздействие на эффективность и эксплуатационные характеристики распылителя.
Кроме того, при достижении цели образования малых капель при применениях для туманообразования многие существующие распылители для двух текучих сред создают высокие степени сдвига и турбулентности при взаимодействии между двумя текучими средами для достижения заданной степени распыления. Несмотря на то что это желательно при применениях для туманообразования, данные высокие степени сдвига и турбулентности нежелательны при применениях для пенообразования, поскольку они могут воспрепятствовать образованию пузырьков в пене. Следовательно, существующее устройство для туманообразования должно быть заменено вспенивающим соплом, когда необходимо перейти от образования тумана к образованию пены, например, в случае применения для тушения пожара.
Задача настоящего изобретения состоит в устранении или ослаблении одного или нескольких из вышеупомянутых недостатков.
В соответствии с настоящим изобретением разработано устройство для образования тумана и/или пены, при этом устройство содержит:
по меньшей мере один первый канал для подачи текучей среды, имеющий впускное отверстие, сообщающееся по текучей среде с источником первой текучей среды, и первое отверстие для выпуска текучей среды;
по меньшей мере один второй канал для подачи текучей среды, имеющий впускное отверстие, сообщающееся по текучей среде с источником второй текучей среды, и второе отверстие для выпуска текучей среды; и
сопло, сообщающееся по текучей среде с первым и вторым отверстиями для выпуска текучей среды, при этом сопло имеет входную часть сопла, выходную часть сопла и горловину сопла между входной частью сопла и выходной частью сопла, при этом горловина сопла имеет площадь поперечного сечения, которая меньше площади поперечного сечения как входной части сопла, так и выходной части сопла;
при этом второе отверстие для выпуска текучей среды включает в себя пористый элемент, через который должна проходить вторая текучая среда.
«Пористый элемент» представляет собой элемент, который обеспечивает возможность перемещения текучих сред через него посредством пор.
Сопло может быть расположено за первым и вторым отверстиями для выпуска текучей среды по ходу потока, при этом первое и второе отверстия для выпуска текучей среды сообщаются по текучей среде с входной частью сопла.
Устройство может дополнительно содержать смесительную камеру между первым и вторым отверстиями для выпуска текучей среды и входной частью сопла.
Пористый элемент может быть полым и может окружать второе отверстие для выпуска текучей среды для образования внутренней камеры, по меньшей мере частично расположенной в смесительной камере. Пористый элемент может быть выполнен с возможностью обеспечения возможности перемещения второй текучей среды через него только в радиальном направлении. Другими словами, может предотвращаться перемещение второй текучей среды через пористый элемент в аксиальном направлении.
Устройство может содержать множество первых каналов для подачи текучей среды, имеющих соответствующие первые отверстия для выпуска текучей среды, при этом первые отверстия для выпуска текучей среды расположены и распределены по одной окружности вокруг второго отверстия для выпуска текучей среды.
В альтернативном варианте первое отверстие для выпуска текучей среды может сообщаться по текучей среде с входной частью сопла в то время, когда второе отверстие для выпуска текучей среды может быть открыто в горловину сопла.
Устройство может дополнительно содержать по меньшей мере одну сопловую насадку, имеющую канал насадки с первым концом, выполненным с возможностью соединения с входной частью сопла, и вторым концом, удаленным от выходной части сопла, при этом первый конец канала насадки имеет площадь поперечного сечения, по существу такую же, как площадь поперечного сечения выходной части сопла, и при этом площадь поперечного сечения канала насадки увеличивается между первым и вторым концами данного канала. Увеличение площади поперечного сечения канала насадки может быть линейным.
В соответствии со вторым аспектом изобретения разработан способ образования тумана и/или пены, при этом способ включает следующие этапы:
подачу первой и второй текучих сред под давлением в соответствующие первый и второй каналы для текучей среды устройства для образования тумана/пены, при этом второй канал для текучей среды имеет второе отверстие для выпуска текучей среды, в котором имеется пористый элемент;
направление первой текучей среды из первого канала для текучей среды в сопло, имеющее входную часть сопла, выходную часть сопла и горловину сопла, площадь поперечного сечения которой меньше площади поперечного сечения как входной части сопла, так и выходной части сопла;
направление второй текучей среды из второго канала для текучей среды через пористый элемент и в сопло для смешивания с первой текучей средой;
ускорение первой и второй текучей сред посредством горловины сопла;
и распыление первой и второй текучих сред из выходной части сопла.
Первая текучая среда может представлять собой газ. Газ может быть выбран из группы, включающей в себя сжатый воздух, диоксид углерода и азот. Вторая текучая среда может представлять собой жидкость. Жидкость может быть выбрана из группы, включающей в себя воду, жидкое обеззараживающее вещество и жидкое огнегасящее вещество.
Сопло может быть расположено за выпускными отверстиями как первого, так и второго каналов для текучей среды по ходу потока, при этом этапы направления обеспечивают направление первой и второй текучих сред во входную часть сопла.
В альтернативном варианте второй канал для текучей среды может открываться в горловину сопла, при этом первая текучая среда может направляться из первого канала для текучей среды во входную часть сопла в то время, когда вторая текучая среда направляется в горловину сопла.
Первая и вторая текучие среды могут ускоряться до по меньшей мере скорости, равной скорости звука, посредством горловины сопла.
В альтернативном варианте первая текучая среда может представлять собой жидкий пенный раствор, и вторая текучая среда может представлять собой сжатый воздух или диоксид углерода. Пенный раствор может представлять собой пенный раствор для пожаротушения и в наиболее предпочтительном варианте может представлять собой водный пленкообразующий пенный раствор.
Способ может дополнительно включать этап пропускания первой и второй текучих сред из выходной части сопла по каналу сопловой насадки, соединенному с входной частью сопла, при этом канал сопловой насадки имеет площадь поперечного сечения, которая увеличивается от первого конца, соединенного с выходной частью сопла, до второго конца, удаленного от выходной части сопла.
В альтернативном варианте способ может дополнительно включать этап пропускания первой и второй текучих сред из выходной части сопла по каналу сопловой насадки, соединенному с входной частью сопла, при этом канал сопловой насадки имеет горловину насадки, площадь поперечного сечения которой меньше площади поперечного сечения как первого, так и второго концов канала насадки.
Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения будут описаны далее, только в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи. Чертежи показывают следующее:
фиг.1 представляет собой продольное сечение первого варианта выполнения устройства для образования тумана и/или пены;
фиг.2 представляет собой продольное сечение модифицированной разновидности варианта выполнения согласно фиг.1;
фиг.3 представляет собой продольное сечение второго варианта выполнения устройства для образования тумана и/или пены;
фиг.4 представляет собой продольное сечение третьего варианта выполнения устройства для образования тумана и/или пены; и
фиг.5-8 представляют собой продольные сечения альтернативных вариантов выполнения сопловой насадки, которые могут образовывать часть настоящего изобретения.
Первый вариант выполнения устройства для образования тумана и/или пены, обозначенного в целом ссылочной позицией 10, показан на фиг.1. Устройство 10 образовано из четырех основных компонентов: по существу цилиндрического тела или корпуса 20, первой вставки 50 для распределения текучих сред, сопловой вставки 70 и удерживающего кольца 90.
Корпус 20 имеет первый и второй концы 22, 24. Суженная часть 26 выступает в аксиальном направлении от первого конца 22 корпуса 20. На втором конце 24 корпуса имеется камера 28, которая открыта на втором конце 24 корпуса 20 и выполнена с возможностью приема вставки 50 для распределения текучих сред и сопловой вставки 70, как будет описано ниже. Первый канал 30 для подачи текучей среды проходит в продольном направлении через корпус 20. Первый канал 30 для подачи текучей среды имеет впускное отверстие 32 в суженной части 26 и выпускное отверстие 34, которое открыто в камеру 28. Первый канал 30 для подачи текучей среды имеет расширяющийся профиль, при этом площадь поперечного сечения канала 30 увеличивается по мере его прохождения через корпус 20 от впускного отверстия 32 по направлению к выпускному отверстию 34. Второй канал 36 для подачи текучей среды также выполнен в корпусе 20 и проходит в радиальном направлении через боковую стенку корпуса 20. Второй канал 36 для подачи текучей среды имеет впускное отверстие 38 на наружной поверхности корпуса 20 и выпускное отверстие 40, которое открыто в камеру 28. Первый и второй каналы 30, 36 для подачи текучих сред по существу перпендикулярны друг другу. Суженная часть 26 и/или впускное отверстие 32 выполнены с возможностью соединения с источником первой текучей среды (непоказанным), в то время как второе отверстие 38 для впуска текучей среды выполнено с возможностью соединения с источником второй текучей среды (непоказанным). Второй конец 24 корпуса 20 имеет выступающую в аксиальном направлении фланцевую часть 42 с наружным диаметром, уменьшенным по сравнению с остальной частью корпуса 20. По меньшей мере часть наружной поверхности фланцевой части 42 выполнена с резьбой (непоказанной).
Первая вставка 50 представляет собой по существу цилиндрическую вставку, которая имеет по существу I-образную форму, если смотреть на нее в продольном сечении, как видно на фиг.1. Другими словами, первая вставка 50 имеет наибольшую толщину на ее наружной периферии, при этом центральная часть вставки 50 имеет толщину, уменьшенную по сравнению с толщиной на ее наружной периферии. Вставка 50 имеет первую торцевую поверхность 52 и вторую торцевую поверхность 54, каждая из которых имеет кольцевую канавку 56, 57, простирающуюся по окружности в зоне наружной периферии вставки 50. В каждой из кольцевых канавок 56, 57 расположено уплотнительное кольцо 58, 59.
Поскольку вставка 50 имеет I-образную форму, если смотреть на нее в продольном сечении, первая и вторая торцевые поверхности 52, 54 вставки 50 имеют соответствующие первую и вторую вогнутые полости 53, 55, образованные в них. Множество первых каналов 60b для текучей среды проходят в продольном направлении через вставку 50 и соединены по текучей среде с первой и второй полостями 53, 55. Первые каналы 60b расположены и распределены по окружности вокруг продольной оси L и по существу параллельны продольной оси L, общей для вставки 50 и устройства 10 в сборе. Если требуется, первые каналы 60b для текучей среды могут представлять собой наружные первые каналы для текучей среды, и вставка 50 также может иметь внутренний первый канал 60а, расположенный в центре вставки 50 так, что является коаксиальным относительно продольной оси L.
Вставка 50 также имеет наружную окружную периферийную поверхность 62, в которой образован паз 64. Паз 64 простирается вокруг всей окружной периферии вставки 50. Множество вторых каналов 66 для подачи текучей среды проходят в радиальном направлении внутрь через вставку 50 от паза 64. Вторые каналы 66 по существу перпендикулярны первым каналам 60 и продольной оси L. Подающие каналы 66 проходят в радиальном направлении внутрь через вставку 50 в зонах в направлении вдоль окружности, образованных между первыми каналами 60b. Подающие каналы 66 обеспечивают возможность сообщения по текучей среде между пазом 64 и третьей полостью 51, расположенной в центре вставки 50.
Третья полость 51 коаксиальна относительно продольной оси L. Третья полость 51 образована так, что она сообщается по текучей среде с каждым элементом из подающих каналов 66, второй полости 55 и возможного внутреннего первого канала 60а для текучей среды, если он предусмотрен. Третья полость 51 имеет внутреннюю резьбу, а также внутренний диаметр, который больше внутреннего диаметра внутреннего первого канала 60а, но меньше внутреннего диаметра второй полости 55.
Предусмотрен по существу цилиндрический элемент 100, предназначенный для вставки в третью полость 51 из второй полости 55. Элемент 100 является пористым, в результате чего он обеспечивает возможность перемещения текучих сред через него посредством пор. Элемент 100 может быть образован из пористого металла или керамического материала. Наиболее предпочтительно, если элемент 100 образован из спеченной бронзы. Элемент 100 имеет первый конец 101 и второй конец 102. Первый конец 101 открыт, в то время как второй конец 102 закрыт. Второй конец 102 также предпочтительно герметично закрыт, так что текучая среда не может проходить через поры во втором конце 102. Элемент 100 имеет внутренний диаметр, который является по существу постоянным, и наружный диаметр, который уменьшается от первого конца 101 в направлении второго конца 102. В результате наружная поверхность 103 элемента 100 имеет форму поверхности усеченного конуса. Первый конец 101 элемента 100 также имеет выступающую часть 104, которая простирается в аксиальном направлении от первого конца 101. Наружная поверхность выступающей части 104 выполнена с резьбой для обеспечения возможности зацепления с третьей полостью 51 с резьбой. Таким образом, первый конец 101 элемента 100 присоединен к первой вставке 50.
Когда пористый элемент 100 закреплен в третьей полости 51, внутреннее пространство элемента 100 определяет границы внутренней камеры 105. Внутренняя камера 105 будет принимать вторую текучую среду из вторых каналов 66 для текучей среды или, при наличии внутреннего первого канала 60а для текучей среды, первую и вторую текучие среды соответственно из внутреннего первого канала 60а для текучей среды и вторых каналов 66 для текучей среды. Пористость элемента 100 обеспечивает возможность прохода текучей среды (текучих сред), поступившей(-их) во внутреннюю камеру 105, в радиальном направлении из внутреннего пространства элемента 100 в пространство, наружное по отношению к нему, и в наружную смесительную камеру 45, частично образованную второй полостью 55.
Наружные первые каналы 60b для текучей среды удалены в радиальном направлении и распределены по окружности так, что они окружают возможный внутренний первый канал 60а для текучей среды, а также третью полость 51 и пористый элемент 100. В том случае, когда внутренний первый канал для текучей среды не требуется, вставка 50 может быть образована без внутреннего первого канала для текучей среды или же заглушка (непоказанная) может быть вставлена во внутренний первый канал 60а для текучей среды и закреплена в нем для предотвращения входа любой текучей среды во внутреннюю камеру 105 или выхода любой текучей среды из внутренней камеры 105 по внутреннему первому каналу 60а для текучей среды.
Как и в случае вставки 50 для распределения текучих сред, сопловая вставка 70 является по существу цилиндрической и коаксиальной по отношению к остальным компонентам устройства 10. Вторая вставка 70 имеет сопло 72, образованное в ней, при этом сопло 72 имеет входную часть 74 сопла, горловину 76 и выходную часть 78 сопла. Сопло 72 коаксиально по отношению к оси L, и горловина 76 между входной частью 74 сопла и выходной частью 78 сопла имеет площадь поперечного сечения, которая меньше площади поперечного сечения как входной части 74 сопла, так и выходной части 78 сопла. Также можно видеть, что уменьшение и последующее увеличение площади поперечного сечения в сопле 72 является постепенным. Другими словами, отсутствуют ступенчатые изменения площади поперечного сечения, которые бы вызвали образование уступов или ниш в стенке сопла, которые воздействовали бы на поток текучей среды, проходящий через него. Следовательно, сопло 72 представляет собой «сужающееся-расширяющееся сопло», как понимается в данной области техники.
Сопловая вставка 70 имеет первый и второй концы, имеющие соответственно первую торцевую поверхность 71 и вторую торцевую поверхность 73. Канавка 80 расположена на наружной окружной периферийной поверхности вставки 70 рядом с первым концом. Канавка 80 простирается вокруг всей окружной периферии вставки 70, и уплотнительное кольцо 82 расположено в канавке 80. Сопловая вставка 70 имеет часть 75 с уменьшенным диаметром рядом со вторым концом. Различие между наружным диаметром основной части вставки 70 и наружным диаметром части 75 с уменьшенным диаметром обеспечивает образование опорной поверхности 77, которая обращена в направлении второго конца 73 вставки 70.
Последним компонентом основного устройства 10 является удерживающее кольцо 90, которое имеет первую боковую поверхность 92 и вторую боковую поверхность 94. Удерживающее кольцо 90 имеет отверстие, проходящее через него, которое разделено на первую и вторую части 96, 98. Первая часть 96 отверстия открыта на первой боковой поверхности 92, в то время как вторая часть 98 отверстия открыта на второй боковой поверхности 94. Первая часть 96 отверстия имеет больший диаметр по сравнению со второй частью 98 отверстия. Разница по диаметру между первой и второй частями 96, 98 отверстия обеспечивает образование опорной поверхности 97, которая обращена в направлении первой боковой поверхности 92 удерживающего кольца 90. По меньшей мере участок внутренней поверхности первой части 96 отверстия выполнен с резьбой (непоказанной). Второй конец 94 удерживающего кольца 90 выполнен с одним или несколькими резьбовыми отверстиями 99, в которые входят механические крепежные элементы, предназначенные для крепления дополнительных компонентов к основному устройству 10, как дополнительно будет рассмотрено ниже.
При сборке устройства 10 пористый элемент 100 ввинчивают в третью полость 51 вставки 50 для распределения текучих сред, как описано выше. Затем вставку 50 вдвигают в камеру 28 через второй конец 24 корпуса 20. Внутренний диаметр камеры 28 и наружный диаметр вставки 50 таковы, что между вставкой 50 и корпусом 20 создается неподвижная уплотняющая посадка. Когда вставка 50 расположена надлежащим образом в камере 28, первая торцевая поверхность 52 примыкает к выпускному отверстию 34 первого канала 30 в корпусе 20, предназначенного для подачи текучей среды. В результате выпускное отверстие 34 первого канала 30 для подачи текучей среды сообщается по текучей среде с первой полостью 53 вставки 50, и второй канал 36 для подачи текучей среды сообщается по текучей среде с пазом 64 вставки 50. Уплотнительное кольцо 58 обеспечивает уплотнение между первой вставкой 50 и корпусом 20.
Как только первая вставка 50 будет установлена в заданном положении, можно будет вставить сопловую вставку 70 в камеру 28 через второй конец 24 корпуса 20. Как и в случае первой вставки 50, внутренний диаметр камеры 28 и наружный диаметр второй вставки 70 таковы, что неподвижная уплотняющая посадка создается между вставкой 70 и корпусом 20. Когда вторая вставка 70 размещена надлежащим образом в камере 28, первая торцевая поверхность 71 второй вставки 70 упирается во вторую торцевую поверхность 54 первой вставки 50. В результате наружная смесительная камера 45 с общей продольной осью L будет образована посредством входной части 74 сопла во второй вставке 70 и второй полости 55 первой вставки 50. Пористый элемент 100 и внутренняя камера 105, образованная в нем, расположены по меньшей мере частично в пределах наружной смесительной камеры 45.
После сборки корпуса 20 первая вставка 50 и вторая вставка 70 будут теперь все сообщаться по текучей среде друг с другом посредством ранее описанных полостей, каналов для текучей среды и каналов, образованных в данных компонентах, как будет описано ниже с дополнительными подробностями. Второе из уплотнительных колец 59, расположенное на второй торцевой поверхности 54 первой вставки 50, обеспечивает уплотнение между первой и второй вставками 50, 70.
В завершение, когда первая и вторая вставки 50, 70 будут размещены в их надлежащих положениях в камере 28 корпуса 20, можно будет разместить удерживающее кольцо 90 поверх второго конца второй вставки 70. Резьбовые участки фланца 42 корпуса 20 и первой боковой поверхности 92 удерживающего кольца 90 взаимодействуют друг с другом, так что удерживающее кольцо 90 может навинчиваться на корпус 20 до тех пор, пока соответствующие опорные поверхности 77, 97 второй вставки 70 и удерживающего кольца 90 не войдут в контакт друг с другом. Как только это произойдет, первая и вторая вставки 50, 70 будут прочно удерживаться в заданном положении, будучи расположенными между корпусом 20 и удерживающим кольцом 90.
Далее также со ссылкой на фиг.1 будет описано то, каким образом работает устройство 10 при образовании тумана. В данном предпочтительном варианте выполнения внутренний первый канал 60а для текучей среды закрыт заглушкой, так что никакая первая текучая среда не может проходить в данный канал. Следует понимать, что внутренний канал 60а должен быть открыт, если желательна некоторая степень предварительного смешивания первой и второй текучих сред, но способ образования тумана, описанный в данном документе, не требует подобного предварительного смешивания, и поэтому внутренний канал 60а закрыт в способе работы, описанном ниже.
Сначала первую текучую среду вводят из соответствующего источника (например, баллона со сжатым газом) в первое впускное отверстие 32 для подачи текучей среды. Существует множество разных текучих сред, которые будут пригодными для использования в качестве первой текучей среды, но в данном предпочтительном примере первая текучая среда представляет собой сжатый воздух. Давление подачи первой текучей среды может находиться в пределах от 2 до 40 бар или более предпочтительно - в пределах от 5 до 20 бар. Первая текучая среда проходит по первому каналу 30 для подачи текучей среды в направлении стрелки Т в первую полость 53, образованную в первой вставке 50. Как только первая текучая среда окажется в первой полости 53, первая текучая среда разделяется на некоторое число потоков, когда она входит в наружные первые каналы 60b для текучей среды, выполненные в первой вставке 50. Первая текучая среда, проходящая по наружным первым каналам 60b для текучей среды, поступает в наружную смесительную камеру 45, образованную между второй полостью 55 первой вставки 50 и входной частью 74 сопла во второй вставке 70. Потоки первой текучей среды, выходящие из наружных каналов 60b для текучей среды, увеличиваются в объеме и входят в контакт друг с другом в наружной смесительной камере 45, в результате чего создается турбулентная зона в наружной смесительной камере 45. Первая текучая среда поступает в наружную смесительную камеру 45 под высоким давлением, но с относительно низкой скоростью.
Одновременно с вводом первой текучей среды в первый канал 30 для подачи текучей среды вторая текучая среда вводится из соответствующего источника под предпочтительным давлением подачи, находящимся в пределах от 2 до 40 бар, наиболее предпочтительно - в пределах от 5 до 20 бар. Вторую текучую среду вводят во второй канал 36 для подачи текучей среды, образованный в корпусе 20. Как и в случае первой текучей среды, вторая текучая среда может представлять собой некоторое количество текучих сред, но в данном предпочтительном примере представляет собой воду. Когда вторая текучая среда проходит по второму каналу 36 для подачи текучей среды, она поступает в паз 64, выполненный на наружной поверхности первой вставки 50. После этого вторая текучая среда может проходить вокруг всей окружной периферии первой вставки 50 посредством паза 64, который находится между корпусом 20 и первой вставкой 50. Когда вторая текучая среда проходит по пазу 64, она поступает в множество радиальных подающих каналов 66 в первой вставке 50 и проходит внутрь к продольной оси L устройства. У внутренних концов подающих каналов 66 вторая текучая среда поступает во внутреннюю камеру 105, образованную внутри пористого элемента 100.
Первая и вторая текучие среды могут подаваться с массовым расходом, значения которого находятся в широком диапазоне. Соотношение массовых расходов первой и второй текучих сред может варьироваться в предпочтительном диапазоне от 20:1 до 1:10.
Когда вторая текучая среда окажется во внутренней камере 105, она начнет просачиваться через пористый элемент 100 в наружную смесительную камеру 45. Степень пористости и/или размер пор в материале, из которого образован элемент 100, а также рабочие условия, например, такие как перепад давлений на пористом элементе 100 между внутренней камерой 105 и смесительной камерой 45, определяют скорость, с которой вторая текучая среда поступает в смесительную камеру 45. Кроме того, выдавливание второй текучей среды через поры элемента 100 обеспечивает образование чрезвычайно малых капель второй текучей среды, так что вторая текучая среда будет по меньшей мере частично распыляться при входе в смесительную камеру 45. Когда капли второй текучей среды входят в контакт с потоками первой текучей среды в смесительной камере 45, силы трения между двумя текучими средами и турбулентное смешивание двух текучих сред приводят к дальнейшему дроблению капель второй текучей среды. Турбулентность, создаваемая первой текучей средой, поступающей в смесительную камеру 45, дополнительно гарантирует то, что капли, создаваемые посредством данного распыления второй текучей среды, будут распределяться по всей смесительной камере 45. Это представляет собой первый этап реализации механизма образования тумана, используемого в настоящем изобретении.
Остальные этапы реализации механизма распыления реализуются в сопле 72 устройства 10. Капли второй текучей среды в смесительной камере переносятся турбулентной первой текучей средой во входную часть 74 сопла. Постепенное уменьшение площади поперечного сечения между входной частью 74 сопла и горловиной 76 сопла приводит к ускорению первой текучей среды до очень высокой скорости, предпочтительно равной скорости звука, в месте в горловине 76 с наименьшей площадью поперечного сечения. Данное ускорение первой текучей среды означает, что имеется градиент скорости у капель второй текучей среды в сужающейся зоне сопла (то есть в зоне между входной частью сопла и горловиной сопла), поскольку часть каждой капли, ближайшая к горловине сопла, будет перемещаться быстрее, чем часть, ближайшая к входной части сопла. Это обеспечивает подвергание капель второй текучей среды воздействию сдвигающих сил и приводит к их растягиванию или удлинению в направлении потока. Когда сдвигающие силы превысят силы поверхностного натяжения, происходит дальнейшее распыление, поскольку капли деформируются и разрываются с образованием еще более мелких капель. Данный сдвиг представляет собой второй этап реализации механизма распыления.
Капли второй текучей среды, имеющие уменьшенный размер, выходят из горловины 76 сопла с очень высокой скоростью, предпочтительно равной скорости звука. Как описано выше, выходная часть 78 сопла имеет большую площадь поперечного сечения по сравнению с горловиной 76 сопла. Следовательно, имеющая высокую скорость первая текучая среда подвергается увеличению в объеме, когда она проходит от горловины 76 сопла по направлению к выходной части 78. Это приводит к растягиванию капель второй текучей среды, содержащихся в первой текучей среде, и вызывает их разделение на некоторое количество еще более мелких капель второй текучей среды. Данный разрыв капель представляет собой третий этап реализации механизма распыления, используемого в настоящем изобретении.
В завершение, капли распыляются из выходной части 78 сопла в виде тумана, содержащего дисперсную фазу, образованную из капель второй текучей среды, в непрерывной фазе, образованной из первой текучей среды. В зависимости от рабочих условий поток, проходящий через сопло 72, может быть дозвуковым в зоне между горловиной 76 и выходной частью 78 сопла. В альтернативном случае, рабочие условия могут означать то, что поток в данной зоне может быть сверхзвуковым вдоль некоторой части или всей его длины, при этом сверхзвуковая зона заканчивается в виде ударной волны или между горловиной 76 и выходной частью 78 сопла, в выходной части 78 сопла или вне устройства 10. При таких рабочих условиях, при которых возникает ударная волна, она может обеспечить четвертый этап реализации механизма разрыва капель вследствие внезапного повышения давления в ударной волне. Дополнительный разрыв капель может происходить за выходной частью сопла по ходу потока вследствие высокой степени турбулентности, создаваемой в потоке, а также вследствие взаимодействия с окружающей средой вне выходной части сопла.
Основное устройство, описанное выше, предназначено главным образом для образования тумана. Модифицированная разновидность данного первого варианта выполнения устройства 10 показана на фиг.2, и данная разновидность предназначена главным образом для пенообразования. Основное устройство 10 представляет собой такое же устройство, какое описано выше со ссылкой на фиг.1, и, следовательно, каждый из элементов, описанных в связи с фиг.1, имеет ту же ссылочную позицию на фиг.2. Данные общие элементы не будут полностью описаны снова со ссылкой на фиг.2.
Модифицированное устройство 10 отличается от устройства по фиг.1 тем, что оно включает в себя сопловую насадку 110. Насадка 110 представляет собой по существу цилиндрический элемент с первым концом 111, вторым концом 112 и каналом 113 насадки, проходящим в продольном направлении через насадку 110 от первого конца 111 до второго конца 112. Первый конец 111 выполнен с фланцем 114, выступающим в радиальном направлении, в котором имеются некоторое число сквозных отверстий 115, проходящих в аксиальном направлении. Отверстия 115 выровнены относительно соответствующих отверстий 99 в удерживающем кольце 90, и механические крепежные элементы 116 вставлены в отверстия 115, 99 для прикрепления насадки 110 к удерживающему кольцу 90 и остальной части корпуса 10.
Когда насадка 110 прикреплена к остальной части устройства 10, первый конец 117 канала 113 насадки будет соединен с выходной частью 78 сопла. Площадь поперечного сечения первого конца 117 канала 113 насадки предпочтительно идентична площади поперечного сечения выходной части 78 сопла. Второй конец 118 канала 113 насадки имеет площадь поперечного сечения, которая больше площади поперечного сечения первого конца 117 канала 113. Таким образом, имеется постепенное расширение канала 113 насадки от первого конца 117 до второго конца 118, но степень расширения сравнительно мала. В предпочтительном варианте выполнения степень расширения может соответствовать увеличению диаметра канала насадки на 0,5 мм на каждые 30 мм длины канала от первого конца 117 до второго конца 118.
Способ работы устройства 10 для образования пены будет рассмотрен далее со ссылкой на фиг.2. В данном случае внутренний первый канал 60а для текучей среды также заблокирован. Если устройство ранее функционировало в режиме туманообразования перед добавлением сопловой насадки 110, источники первой и второй текучих сред отсоединяют от соответствующих им, первого и второго каналов 30, 36 для прохода текучих сред. Затем источник первой текучей среды повторно соединяют с устройством 10 посредством второго канала 36 для подачи текучей среды. В результате сжатый воздух или другая подходящая текучая среда будет поступать теперь в устройство по вторым каналам 66 для подачи текучей среды. После этого источник второй текучей среды соединяют с первым каналом 30 для подачи текучей среды. В данном режиме пенообразования подходящей второй текучей средой для данной задачи является пенный раствор, например, такой как водный пленкообразующий пенный раствор (AFFF - aqueous film-forming foam), предназначенный для использования при пожаротушении.
Давление подачи второй пенообразующей текучей среды может находиться в диапазоне от 5 до 20 бар. Вторая текучая среда проходит по первому каналу 30 для подачи текучей среды в направлении стрелки Т в первую полость 53, образованную в первой вставке 50. Как только вторая текучая среда окажется в первой полости 53, вторая текучая среда разделяется на некоторое количество потоков, когда она поступает в наружные первые каналы 60b для текучей среды, образованные в первой вставке 50. Вторая текучая среда, проходящая по наружным первым каналам 60b для текучей среды, поступает в наружную смесительную камеру 45, образованную между второй полостью 55 первой вставки 50 и входной частью 74 сопла во второй вставке 70.
Одновременно с вводом второй текучей среды в первый канал 30 для подачи текучей среды первую текучую среду вводят из соответствующего источника под предпочтительным давлением подачи, находящимся в диапазоне от 2 до 40 бар, наиболее предпочтительно - в диапазоне от 5 до 20 бар. Первую текучую среду вводят во второй канал 36 для подачи текучей среды, образованный в корпусе 20. Когда первая текучая среда проходит по второму каналу 36 для подачи текучей среды, она поступает в паз 64, образованный на наружной поверхности первой вставки 50. При этом первая текучая среда может проходить вокруг всей окружной периферии первой вставки 50 посредством паза 64, который находится между корпусом 20 и первой вставкой 50. Когда первая текучая среда проходит по пазу 64, она поступает во множество радиальных подающих каналов 66 в первой вставке 50 и проходит внутрь по направлению к продольной оси L устройства. У внутренних концов подающих каналов 66 первая текучая среда поступает во внутреннюю камеру 105, образованную внутри пористого элемента 100.
В данном варианте выполнения, предназначенном для пенообразования, скорость потока первой текучей среды, проходящего в устройство, может находиться в диапазоне от 3 до 16 литров в минуту, в то время как массовый расход второй текучей среды может находиться в диапазоне от 0,5 до 2 кг/мин. В наиболее предпочтительном варианте скорость потока первой текучей среды, проходящего в устройство, может находиться в диапазоне от 3 до 13 литров в минуту, в то время как массовый расход второй текучей среды в наиболее предпочтительном варианте находится в диапазоне от 0,5 до 1,5 кг/мин.
Когда газообразная первая текучая среда окажется во внутренней камере 105, она начнет просачиваться через пористый элемент 100 в наружную смесительную камеру 45. Степень пористости и/или размер пор в материале, из которого образован элемент 100, а также рабочие условия, например, такие как перепад давлений на пористом элементе 100 между внутренней камерой 105 и смесительной камерой 45, определяют скорость, с которой первая текучая среда поступает в смесительную камеру 45. Кроме того, выдавливание первой текучей среды через поры элемента 100 обеспечивает образование маленьких пузырьков первой текучей среды, которые поступают в смесительную камеру 45 и во вторую текучую среду, находящуюся в ней.
Пузырьки первой текучей среды переносятся второй текучей средой из смесительной камеры 45 во входную часть 74 сопла. Постепенное уменьшение площади поперечного сечения между входной частью 74 сопла и горловиной 76 сопла приводит к ускорению второй текучей среды. Данное ускорение второй текучей среды и ее проход через горловину 76 сопла приводят к изменению давления, действующего на пузырьки первой текучей среды во второй текучей среде. Следовательно, когда смесь первой и второй текучих сред пройдет через горловину 76, пузырьки первой текучей среды начнут увеличиваться в объеме при проходе потока текучих сред к выходной части 78 сопла. Сопловая насадка 110 и постепенно расширяющийся канал 113 в ней гарантируют то, что пузырьки первой текучей среды будут постепенно увеличиваться в объеме на длине канала 113, в результате чего будут образовываться пузырьки большего размера и большие количества пены, когда текучие среды будут выходить из устройства 10.
Второй вариант выполнения устройства для образования тумана и/или пены, обозначенного в целом ссылочной позицией 10', показан на фиг.3. Второй вариант выполнения имеет некоторое количество общих компонентов и элементов как с базовой, так и с модифицированной разновидностями первого варианта выполнения, показанными на фиг.1 и 2. Следовательно, элементы, которые являются одинаковыми в каждом варианте выполнения, имеют те же ссылочные позиции в данном втором варианте выполнения и снова не будут описываться подробно в данном случае.
Во втором варианте выполнения устройства 10' третья вставка 120 вставлена в камеру 28 после вставления первой вставки 50, но перед вставлением второй вставки 70. Третья вставка 120 является трубчатой и имеет наружный диаметр, который выбран таким, чтобы обеспечить неподвижную уплотняющую посадку между наружной поверхностью третьей вставки 120 и внутренней поверхностью камеры 28. Для того чтобы способствовать созданию уплотняющего соединения конец 122 третьей вставки 120, примыкающий ко второй вставке 70, выполнен с кольцевой канавкой 124, в которой расположено уплотнительное кольцо 126. Таким образом, когда третья вставка 120 расположена в камере 28 надлежащим образом, один конец 121 вставки 120 упирается во второй конец 54 первой вставки 50, в то время как другой конец 122 вставки 120 будет упираться в первый конец 71 второй вставки 70.
Могут быть выполнены некоторые изменения корпуса 20 для встраивания третьей вставки 120. Например, длина корпуса 20 и камеры 28 в аксиальном направлении может быть увеличена так, чтобы может было разместить в них все три вставки 50, 70, 120. В альтернативном варианте, как показано на фиг.3, длина удерживающего кольца 90' в аксиальном направлении может быть увеличена для размещения большей части сопловой вставки 70, выступающей из камеры 28. В альтернативном варианте дополнительная наружная секция (непоказанная) может быть добавлена между корпусом 20 и удерживающим кольцом 90 и присоединена соответствующим образом так, чтобы она окружала третью вставку 120. Сопловая насадка 110 имеется во втором варианте выполнения, поскольку он показан в режиме пенообразования, но второй вариант выполнения может быть использован без насадки в режиме туманообразования в случае необходимости.
За исключением вставления третьей вставки 120 второй вариант выполнения устройства 10' собран и функционирует по существу так же, как первый вариант выполнения. Тем не менее, наличие трубчатой третьей вставки 120 между первой и второй вставками 50, 70 обеспечивает увеличение длины смесительной камеры 45' в аксиальном направлении за первой вставкой 50 по ходу потока. Изменение длины смесительной камеры 45' в аксиальном направлении способствует образованию пузырьков пены в режиме пенообразования, а в режиме туманообразования обеспечивает изменение степени турбулентности и степени завихрения и смешивания в смесительной камере 45' и изменение первого этапа реализации механизма распыления, используемого во время образования тумана.
Фиг.4 показывает третий вариант выполнения устройства для образования тумана и/или пены, обозначенного в целом ссылочной позицией 200. Данный третий вариант выполнения устройства 200 содержит первый канал 202 для подачи текучей среды, имеющий впускное отверстие 204, сообщающееся по текучей среде с источником первой текучей среды (непоказанным), и первое отверстие 206 для выпуска текучей среды. Устройство 200 также имеет кольцевой второй канал 210 для подачи текучей среды, имеющий впускное отверстие 212, сообщающееся по текучей среде с источником второй текучей среды (непоказанным), и второе отверстие 214 для выпуска текучей среды. Сопло 220 сообщается по текучей среде с первым и вторым отверстиями 206, 214, предназначенными для выпуска текучих сред, и имеет входную часть 222 сопла, выходную часть 226 сопла и горловину 224 сопла между входной частью 222 сопла и выходной частью 226 сопла. Горловина 224 сопла имеет площадь поперечного сечения, которая меньше площади поперечного сечения как входной части 222 сопла, так и выходной части 226 сопла. Пористый кольцевой элемент 230 расположен во втором отверстии 214 для выпуска текучей среды так, что любая текучая среда, проходящая по второму каналу 210 для текучей среды, должна будет течь через пористый элемент 230. Первое отверстие 206 для выпуска текучей среды сообщается с входной частью 222 сопла, в то время как второе отверстие 214 для выпуска текучей среды открыто в горловину 224 сопла.
Если требуется, сопло 220 может иметь по меньшей мере один дополнительный канал 240, имеющий дополнительное впускное отверстие 242, расположенное до горловины 224 сопла по ходу потока, и вспомогательное выпускное отверстие 244, открывающееся во второй канал 210 для текучей среды. Дополнительный канал 240 может представлять собой один кольцевой канал, окружающий сопло 220, или, как показано на фиг.4, может быть предусмотрено множество дополнительных каналов 240, распределенных по окружности вокруг сопла 220 и параллельных ему. Пористый элемент 230 может быть расположен во втором канале 210 для текучей среды или до того места по ходу потока, где вспомогательное выпускное отверстие (вспомогательные выпускные отверстия) 244 открыто(-ы) во второй канал 210, или за данным местом.
Как видно на фиг.4, площадь поперечного сечения сопла 220 постепенно увеличивается от горловины 224 сопла в направлении выходной части 226 сопла. Устройство 200 может быть дополнено сопловой насадкой описанного выше типа для удлинения расширяющегося канала устройства.
Как и в случае предыдущих вариантов выполнения, третий вариант выполнения устройства 200 может быть использован для образования тумана и/или образования пены. В режиме туманообразования первую текучую среду, такую как сжатый воздух, диоксид углерода, пар или азот, подают в первый канал 202 для текучей среды. Оттуда первая текучая среда под давлением поступает в сопло 220 и ускоряется посредством горловины 224 сопла до высокой скорости, предпочтительно равной скорости звука, в месте в горловине, имеющем наименьшую площадь поперечного сечения. Одновременно вторую текучую среду, такую как вода, жидкое обеззараживающее вещество или огнегасящее вещество, подают во второй канал 210 для текучей среды. Пористый элемент 230 во втором канале 210 для текучей среды обеспечивает регулирование потока второй текучей среды, проходящего в горловину 224 сопла, так что малые капли второй текучей среды будут выходить из пористого элемента 230 и входить в сопло 220. В случае наличия вспомогательного(-ых) канала(-ов) 240 вспомогательный (вспомогательные) канал (каналы) 240 обеспечивает(-ют) отклонение части первой текучей среды во второй канал 210 для текучей среды, что создает эффект частичного распыления второй текучей среды перед ее вводом в сопло 220.
Когда капли второй текучей среды поступают в ускоренный поток первой текучей среды в горловине 224 сопла, они подвергаются воздействию больших сдвигающих сил и турбулентности, создаваемой первой текучей средой, что приводит к дополнительному распылению капель второй текучей среды с превращением их в капли меньшего размера. Дисперсная фаза, образованная каплями второй текучей среды, в непрерывной фазе, образованной первой текучей средой, проходит затем по направлению к выходной части 226 сопла. При этом капли увеличиваются в объеме и снова разрываются с образованием капель еще меньшего размера перед распылением из устройства в виде тумана.
Для того чтобы устройство по третьему варианту выполнения функционировало в режиме пенообразования, источник первой текучей среды отсоединяют и снова присоединяют ко второму каналу 210 для текучей среды, как и в случае остальных вариантов выполнения. Затем вторую текучую среду, представляющую собой пенный раствор, подают в первый канал 202 для текучей среды. Затем пузырьки первой текучей среды выходят из пористого элемента 230 во втором канале 210 для текучей среды и поступают во вторую текучую среду в горловине 224 сопла. Пузырьки увеличиваются в объеме, когда первая и вторая текучие среды перемещаются по направлению к выходной части 226 сопла и сопловой насадке (непоказанной), прикрепленной к ней так же, как описано выше в связи с более ранними вариантами выполнения. После этого первая и вторая текучие среды выходят из устройства в виде пены.
За счет использования пористого элемента устройство по настоящему изобретению может обеспечить ввод одной текучей среды в другую текучую среду с низкими скоростями потока и/или с заданным размером капель или пузырьков, что в противном случае потребовало бы точной и требующей высокой квалификации, механической обработки каналов очень малого диаметра. Таким образом, настоящее изобретение устраняет возможность неточной механической обработки или изготовления, влияющего на эксплуатационные характеристики устройства.
В соответствии с настоящим изобретением также разработано одно устройство, которое может обеспечить образование тумана из капель в одном режиме и образование пены во втором режиме. Обычно требуются два устройства, поскольку образование тумана предусматривает образование капель, которые имеют как можно более малый размер, но при образовании пены желательно образовать пузырьки, которые имеют как можно больший размер. Степени сдвига и турбулентности, создаваемые при дроблении капель в режиме туманообразования, не способствуют образованию больших пузырьков, если то же самое устройство используется также для образования пены. Тем не менее, простое переключение источника газообразной текучей среды с первого подающего канала на второй подающий канал обеспечивает возможность того, что устройство по настоящему изобретению также будет образовывать пену и туманы, благодаря преобразованию пузырьков газообразной первой текучей среды посредством пористого элемента в пенный раствор. Увеличение в объеме пузырьков в пенном растворе замедляется вследствие добавления сопловой насадки, так что пузырьки будут настолько большими, насколько это возможно, когда они выходят из устройства.
Помимо отдельной подачи пенного раствора сопловая насадка представляет собой единственную дополнительную деталь, необходимую для перевода устройства в режим пенообразования. Некоторое количество альтернативных вариантов выполнения сопловой насадки показаны на фиг.5-8. Фиг.5 показывает первую альтернативную насадку 310, имеющую канал 313 насадки с горловиной 315, площадь поперечного сечения которой меньше площади поперечного сечения как первого, так и второго концов 311, 312 канала 313 насадки. Фиг.6 показывает вторую альтернативную насадку 410, в которой канал 413 насадки имеет стенки, которые плавно сужаются или расширяются в направлении по ходу потока, так что площадь поперечного сечения канала 413 постепенно увеличивается в направлении по ходу потока вдоль канала 413. Фиг.7 показывает третью альтернативную насадку 510, в которой канал 513 имеет стенки, которые имеют сравнительно резкое конусообразное изменение или расширение для быстрого увеличения площади поперечного сечения части канала 513, расположенной дальше по ходу потока. В третьем альтернативном варианте выполнения скорость расширения или увеличения площади поперечного сечения постепенно уменьшается в направлении по ходу потока до тех пор, пока канал 513 не достигнет своей наибольшей площади поперечного сечения. В завершение, четвертая альтернативная насадка 610 показана на фиг.8. Данный вариант выполнения аналогичен третьему альтернативному варианту выполнения в том, что скорость увеличения площади поперечного сечения в канале 613 сначала является сравнительно высокой, но затем постепенно уменьшается до того, как канал достигнет его наибольшей площади поперечного сечения. Четвертый вариант выполнения отличается тем, что площадь поперечного сечения канала 613 рядом с первым концом 611 резко увеличивается и уменьшается для образования камеры 615 с большей площадью поперечного сечения по сравнению с первым концом 611 канала 613. За камерой 615 по ходу потока находится расширяющаяся часть канала 613, аналогичная показанной в третьем альтернативном варианте выполнения.
Устройство также может содержать комплект сопловых насадок, которые могут иметь разную длину и/или внутреннюю геометрию такого типа, как описанная в вариантах выполнения насадки, описанных в данном документе. В альтернативном варианте сопловые насадки разной формы могут быть прикреплены друг к другу последовательно для дополнительного удлинения постепенно расширяющегося канала.
Канал насадки может иметь отношение D:L, где D - диаметр первого конца канала насадки и L - длина канала, измеренная по прямой, которое выбрано из группы, включающей следующие отношения: 1:3, 1:4, 1:16, 1:20, 1:30 и 1:40.
Несмотря на то что сопловую насадку предпочтительно прикрепляют посредством механических крепежных элементов, как описано выше, возможны другие способы крепления. Например, насадка может быть навинчена на конец сопла посредством взаимодействующих резьбовых частей. Кроме того, выступающий фланец 114 может быть прикреплен непостоянно, но может быть выполнен с возможностью быстрого прикрепления и снятия посредством использования быстросъемного механизма.
Несмотря на то что способность устройства к переключению между тумано- и пенообразованием является предпочтительной, устройство по настоящему изобретению необязательно использовать для обеих функций. Другими словами, устройство и его пористый элемент могут быть использованы только в качестве устройства для образования тумана или только в качестве устройства для образования пены.
Некоторое число пористых элементов, каждый из которых имеет пористость, отличающуюся от пористости других пористых элементов, может быть предусмотрено вместе с устройством, так что скорость потока и/или размер капель или пузырьков текучей среды, поступающих из внутренней камеры в смесительную камеру, могут быть изменены желательным образом. Как указано, пористый(-ые) элемент(-ы) могут быть образованы из пористого металла (например, из спеченной бронзы или латуни) или из пористого керамического элемента.
В режиме туманообразования первая текучая среда может представлять собой сжатый воздух, диоксид углерода или азот, и вторая текучая среда может представлять собой воду, жидкое обеззараживающее вещество или огнегасящее вещество. В режиме пенообразования первая текучая среда может представлять собой пенный раствор, и вторая текучая среда может представлять собой сжатый воздух или диоксид углерода. Пенный раствор может представлять собой пенный раствор для пожаротушения, например, такой как водный пленкообразующий пенный раствор. В альтернативном варианте пена может представлять собой покрытие для обеззараживания или поверхностное покрытие для очистки.
Данные и другие модификации и усовершенствования могут быть включены без отхода от объема настоящего изобретения.