Способ получения огнетушащего вещества и распылитель, применяемый для его реализации
METHOD FOR PRODUCTION OF FIRE EXTINGUISHING AGENT AND SPRAYER USED FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемая группа изобретений относится к области водяного орошения и пожаротушения и может быть использована для тушения огня в автоматическом и ручном режиме, в стационарных и мобильных установках пожаротушения высокого и низкого давления.
Из уровня техники известен способ получения водяного пара за счет принудительного вытеснения воды давлением 140-200 Атм через распылительные головки [US5944113, МПК А62С31/05, А62С37/11, А62С37/14, В05В1/14, опубл. 31.08.1999]. Для обеспечения возможности распыления тумана с мелкими каплями в известных соплах распылительных головок выполняют проходные отверстия, в которых устаналивают различные механические препятствия. Такими механическими препятствиями могут быть, например, вращающаяся деталь, неподвижный запорный элемент определенной формы, винтовая пружина и т.д.
Существенный недостаток при использовании таких препятствий заключается в том, что они снижают эффективность распылительной головки. Это означает, что для получения распыления необходимого вида следует обеспечивать значительную рабочую мощность. Кроме того, наличие препятствий в соплах приводит к тому, что конструкции сопел и распылительных головок становятся довольно сложными. Такие сопла трудно изготавливать, и их необходимо заключать в особые сопловые кожухи, установленные в корпус распылительной головки. В результате возрастает стоимость изготовления распылительной головки.
В другом патенте [US5881958, МПК А62С31/02, В05В1/02, В05В1/04, опубл. 16.03.1999] описано сопло для нагнетания смеси мелкодиспергированных жидкостей, подобных туману. Чтобы получить однородно диспергированную смесь на всем протяжении распыления в соплах выполнены поверхности с выемками, которые побуждают струи жидкости создавать области отрицательного давления, отдаленные от поверхности переднего конца наконечника сопла. Для образования этих поверхностей с выемками необходима специальная механическая обработка, обусловленная их конфигурацией.
Известно сопло для создания тумана [US2813753, МПК А62С31/22, В05В1/14, опубл. 19.11.1957], которое имеет проходные отверстия, заканчивающиеся соответствующими выемками, которые наклонены под углом по отношению к соответствующим проходным отверстиям. Выемки имеют небольшое отношение длины к диаметру, что в сочетании с указанным наклоном делает невозможным создание даже при высоких давлениях брызг тумана с высоким моментом количества движения. В известном документе описаны три механизма создания тумана. В первом механизме вода вытекает асимметрично из небольшого проходного отверстия напротив стенки выемки на периферии сопла; во втором механизме вода вытекает из небольших сходящихся проходных отверстий для выпуска, расположенных против друг друга; в третьем механизме вода вытекает из небольшого проходного отверстия для нагнетания при высоком давлении по отношению к выемке без соударения с выемкой. Два первых механизма обеспечивают возможность создания тумана при относительно низком давлении, но туман имеет низкий момент количества движения даже при повышении давления. Третий механизм позволяет создавать туман только при высоком давлении.
Известен патент [RU2248826, МПК А62С31/02, 27.03.2005], в котором описаны несколько вариантов создания водяного тумана с мелкими частицами (огнетушащее вещество) посредством различных распылительных головок, в которых взаимозависимые по длине и ширине каналы, изготовленные сверлением, расположены последовательно друг за другом. При этом выдавливаемая под большим давлением 80-100 Атм жидкость из камеры, через канал меньшего диаметра (канал подачи водяного потока) должна попадать на стенки канала большего диаметра (дюза) через конусный переход с одного диаметра на другой. При этом, для создания максимальной вихревой диспергации выдавливаемой жидкости, используется эффект поверхностного натяжения в канале большего диаметра. При этом максимальная диспергация вихревого водяного потока в описанном в указанном патенте способе и устройствах происходит на внешней кромке большего из двух каналов, то есть на внешней стороне распылительной головки.
Недостатками указанного способа и устройств для его реализации является: 1. Необходимость большого давления в системе (140-200 Атм) для обеспечения давления на входе оросителя 80-100 Атм. Методом наблюдения работы указанных устройств выявлено, что при меньшем давлении, не смотря на обратное утверждение в патенте, эффект тумана не достигается по причинам, описанным в том же патенте. Наиболее точное описание конденсатного состояния распыляемой воды давлением менее 80 Атм на оросителе с использованием указанного способа и устройств это - роса. 2. Требование к максимальной соосности взаимозависимых распылительных каналов, изготавливаемых высверливанием. 3. Жесткая взаимоувязанная зависимость длин и диаметров взаимозависимых распылительных каналов. 4. Значительный расход воды на удельную единицу теплоотдачи очага горения. 5. Высокая потребляемая мощность электромоторов (15-37 кВт/на 100 л воды), обеспечивающих работу насосов высокого давления 140-200 Атм.
Известны способ получения огнетушащего вещества и распылительный канал, применяемый для его реализации [RU2623923, МПК А62С 31/00, опубл. 29.06.2017]. Способ получения огнетушащего вещества включает создание водяного потока и пропускание его через по меньшей мере один распылительный канал, а внутри каждого распылительного канала образуют по меньшей мере одну кромку срыва водяного потока, после перехода через которую водяной поток разбивают на множество совместно движущихся отдельных микрокапель с последующим инициированием процесса их хаотичного отражения от внутренних стенок распылительного канала и столкновения друг с другом, получая на выходе наружу из распылительного канала мелкодисперсную водяную пыль. Распылительный канал, применяемый для получения огнетушащего вещества, образован из сообщающихся и расположенных друг за другом по меньшей мере одного канала подачи водяного потока и дюзы, при этом диаметр дюзы выполнен больше диаметра канала подачи водяного потока, а дюза представляет собой стакан, через дно которого проходит каждый канал подачи водяного потока, при этом наименьший угол между внутренней стенкой стакана и его дном выполнен не более 90 градусов.
Задачей настоящей группы изобретений является создание нового способа получения огнетушащего вещества и распылителя, применяемого для его реализации, с достижением следующего общего технического результата: повышение эффективности тушения локальных и объемных огневых очагов классов А и В любой категории сложности за счет повышения проникающей способности создаваемого огнетушащего вещества, благодаря уменьшению размера капли огнетушащего вещества.
Поставленная задача в части способа решена за счет того, что способ получения огнетушащего вещества включает создание водяного потока и пропускание его через по меньшей мере один распылительный канал, внутри каждого распылительного канала образуют по меньшей мере две кромки срыва водяного потока, после перехода через которые водяные потоки направляют на осевое пересечение друг с другом внутри распылительного канала, затем разбивают на множество совместно движущихся отдельных микрокапель с последующим инициированием процесса их хаотичного отражения от внутренних стенок распылительного канала и столкновения друг с другом, получая на выходе наружу из распылительного канала мелкодисперсную водяную пыль.
Возможен вариант развития основного технического решения, при котором после разбиения водяного потока его насыщают атмосферным воздухом путем всасывания атмосферного воздуха в распылительный канал после кромки срыва водяного потока, но до выхода наружу из распылительного канала.
Поставленная задача в части устройства решена за счет того, что распылитель, применяемый для получения огнетушащего вещества, включает корпус, внутри которого выполнен по меньшей мере один распылительный канал, образованный из сообщающихся и расположенных друг за другом по меньшей мере двух каналов подачи водяного потока и дюзы, диаметр которой выполнен больше диаметра каждого канала подачи водяного потока, при этом каналы подачи водяного потока проходят через основание дюзы под углом друг другу таким образом, что их оси пересекаются внутри дюзы.
Возможен вариант развития основного технического решения, при котором дополнительно введен по меньшей мере один канал подачи воздуха, сообщающийся с дюзой вблизи ее дна.
Таким образом с помощью заявляемой группы изобретений повышается эффективность тушения локальных и объемных огневых очагов классов А и В любой категории сложности за счет повышения проникающей способности создаваемого огнетушащего вещества, благодаря способности создаваемого вещества, представляющего собой сверхплотный мелкодисперсный водяной туман с уменьшенным размером каплей, мгновенно заполнять защищаемый объем помещения и высокой эффективностью тушения локальных и объемных огневых очагов классов А и В, любой категории сложности, что свойственно, в основном, газовым объемным системам тушения пожара. Низкий расход воды при уменьшении рабочего давления для систем пожаротушения низкого давления и одновременно с этим уменьшение расхода воды при сохранении высокого рабочего давления в системах пожаротушения высокого давления стали возможными именно за счет того, что каналы подачи водяного потока проходят через основание дюзы под углом друг другу таким образом, что их оси пересекаются внутри дюзы, приводя к значительному увеличению дисперсности благодаря увеличению кинетической энергии микрокапель, которое приводит к большему количеству соударений о стенки дюзы и, следовательно. К уменьшению размера капель. Распыляемая настоящим способом жидкая среда определяется как поток совместно движущегося множества отдельных микрокапель, получающих избыточный заряд кинетической энергии избыточным давлением, принуждающим капли водяного потока к поступательному движению и стремлению ими высвободить накопленную энергию. Высвобождение накопленной энергии каждой отдельной микрокаплей происходит в момент ее выхода, на кромке срыва водяного потока, которая образована с помощью прохода канала подачи водяного потока через дно дюзы. Причем поток мелких капель, сорвавшихся с кромки, стремится к внутренним стенкам дюзы. При этом каждая микрокапля приобретает индивидуальное ускорение и траекторию движения, в зависимости от количества накопленной кинетической энергии. При этом в физическом смысле все капли пытаются оттолкнуться друг от друга, увеличивая дистанцию убегания. Дальнейшая траектория движения подавляющего большинства отдельных капель преломляется стенками дюзы, направляя отраженные капли навстречу друг другу. Следует дальнейшее столкновение встречно движущихся капель, с еще большей диспергацией и увеличением числа свободно и хаотично движущихся капель. Процесс хаотичного отражения и столкновения свободных капель продолжается с увеличивающейся интенсивностью. На выходе из распылительного канала формируют мелкодиспергированное (размер капель менее 80 мкм) огнетушащее вещество, формулируемое как сверхплотный мелкодисперсный водяной туман, обладающий высокой проникающей способностью, способностью мгновенно заполнять защищаемый объем помещения и высокой эффективностью тушения локальных и объемных огневых очагов классов А и В, любой категории сложности. Одновременно с этим уменьшение размера капель по сравнению с известными техническими решениями приводит к увеличению площади соприкосновения с нагретой поверхностью и, следовательно, к повышению эффективности охлаждения.
Сущность заявляемой группы изобретений и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
На Фиг. 1 показано применение заявляемой группы изобретений в распылителе дренчерного типа (вид сбоку в разрезе).
На Фиг. 2 показана схема движения потока внутри распылительного канала.
На Фиг. 3 и 4 показано применение заявляемой группы изобретений в распылителе спринклерного типа (вид сбоку в разрезе).
Способ получения огнетушащего вещества (Фиг. 1-4) включает создание водяного потока и пропускание его через по меньшей мере один распылительный канал распылителя, образованный из сообщающихся и расположенных друг за другом как соосно, так и не соосно под углом, отличающимся от 180°, по меньшей мере двух каналов 1 подачи водяного потока (выполненного с возможностью сообщения с клапанным каналом распылителя) и дюзы 2, при этом диаметр дюзы 2 выполнен больше диаметра каждого канала 1 подачи водяного потока. Дюза 2 в общем случае представляет собой стакан, через основание которого проходит каждый канал 1 подачи водяного потока с образованием кромки 3 срыва водяного потока, после перехода через которую водяной поток от каждого распылительного канала 1 направляют на осевое пересечение с потоком от другого распылительного канала 1 и тем самым разбивают на множество совместно движущихся отдельных микрокапель с последующим инициированием процесса их хаотичного отражения от внутренних стенок распылительного канала 1 и столкновения друг с другом, получая на выходе наружу из распылительного канала мелкодисперсную водяную пыль. Для этого распылительные каналы 1 образованы под углом друг другу таким образом, что их оси пересекаются внутри дюзы 2 в точке 4.
После разбиения водяного потока его могут насыщать атмосферным воздухом путем всасывания атмосферного воздуха в распылительный канал 1 после кромки 3 срыва водяного потока, но до выхода наружу из распылительного канала 1. Для этого в распылительный канал 1 дополнительно может быть введен по меньшей мере один канал подачи воздуха (на чертеже не показано), сообщающийся с дюзой 2 вблизи ее дна, а именно, между дном и местом соударения основного потока капель с внутренними стенками дюзы. При этом каналы 1 подачи водяного потока входят в дно дюзы 2 под таким углом, чтобы исключить попадание большей части водяного потока в канал подачи воздуха (на чертеже не показано), т.е. при образовании распылительного канала 1 учитывают взаимное расположение каналов подачи воздуха (на чертеже не показано) и каналов 1 подачи водяного потока. Причем каналов подачи воздуха (на чертеже не показано) может быть несколько и они могут быть расположены по окружности вокруг дюзы 2.
Угол между каналами 1 определяется технологической возможностью их выполнения с учетом размеров дюзы 2.
Для изготовления дюзы 2 может использоваться метод фрезерования, что исключает образование конуса и позволяет добиться различных вариантов исполнения дна, например, плоского (без учета технологических скруглений по краям из-за использования фрезы), вогнутого или любой другой формы, а также метод сверления, причем сверло может быть заточено таким образом, что угол его заточки определяет угол в основании дюзы 2, а следовательно и угол наклона каналов 1, если они образованы перпендикулярно поверхности основания дюзы 2. Однако возможен вариант, при котором основание дюзы 2 выполнено плоским, а каналы 1 образованы под соответствующим углом относительно него и между друг другом.
В распылителе каналы 1 выполняют сверлением. Количество каналов 1 зависит от размеров дюзы 2 и определяется техническими требованиями.
В месте перехода из каждого канала 1 в дюзу 2 образована кромка 3 срыва водяного потока, которая представляет собой край отверстия в поверхности основания дюзы 2 в месте отхода от него распылительного канала 1. При этом кромка 3 срыва образована так, что в месте перехода из канала 1 подачи водяного потока в дюзу 2 не происходило завихрение водяного потока, а, наоборот, происходило его множественное разбиение, т.е. исключено образование воронки в месте стыка каждого распылительного канала 1 и основания дюзы 2.
С помощью заявляемой группы изобретений предлагается создание огнетушащего вещества, содержащего в качестве активных компонентов пресную или опресненную морскую воду и атмосферный воздух (в случае его всасывания).
Распылители применяются в составе системы пожаротушения (на чертеже не показано), включающей также систему (на чертеже не показано) компоновки перечисленных элементов, соединительный трубопровод (на чертеже не показано), трубные соединения (на чертеже не показано), гибкие рукава (на чертеже не показано) и соединения (на чертеже не показано), клапанные устройства (на чертеже не показано) управления и насосные установки (на чертеже не показано) с электрическим и пневматическим приводом, совместно обеспечивающие подачу огнетушащего вещества к источнику горения.
Заявляемая группа изобретений может быть реализована в любом типе распылителей: дренчерном (цилиндрическом и коническом) и спринклерном (цилиндрическом и коническом).
На Фиг. 1, 2 приведен распылитель цилиндрический дренчерного типа. Корпус 5 снабжен резьбой для посадки распылителя в трубный адаптер (на чертеже не показано). В корпус 5 вкручивается гайка (на чертеже не показано) с как минимум одним сквозным отверстием (на чертеже не показано), обеспечивающим подачу воды из трубы (на чертеже не показано), через трубный адаптер (на чертеже не показано) в клапанный канал распылителя. Внутри корпуса 5 вытачивается внутренняя камера (клапанный канал). При этом цилиндрическая форма корпуса 5 обуславливается необходимостью взаимоувязанно расположить внутреннюю камеру, каналы 1 подачи водяного потока, дюзу 2 и направить выходное отверстие дюзы 2 под углом 75-30 градусов к защищаемой поверхности. По команде, после открытия внешнего запорного устройства (на чертеже не показано), напор воды проходит во внутреннюю камеру (клапанный канал) и в каналы 1 подачи водяного потока к кромкам 3 срыва водяного потока бесконечного множества независимых микрокапель, стремящихся к стенкам дюзы 2. Тем самым формируя высоко диспергированное облако водяной пыли, иначе именуемое "плотный высокодисперсный водяной туман".
На Фиг. 3, 4 приведен распылитель цилиндрический спринклерного типа. Корпус 6 снабжен резьбой для посадки распылителя в трубный адаптер (на чертеже не показано). В корпус 5 вкручивается гайка (на чертеже не показано) с как минимум одним сквозным отверстием (на чертеже не показано), обеспечивающим подачу воды из трубы (на чертеже не показано), через трубный адаптер (на чертеже не показано) в клапанный канал распылителя. Внутри корпуса 6 вытачивается внутренняя камера (клапанный канал), обеспечивающая перемещение штока запорного клапана и сообщающийся с каналами 1 подачи водяного потока. Шток запорного клапана (на чертеже не показано) с резиновыми уплотнениями располагается внутри корпуса 6, продольно клапанному каналу, совместно с гайкой корпуса 6 обеспечивающими удержание воды в трубопроводе (на чертеже не показано) до момента срабатывания (разрыва) термозависимой колбы (на чертеже не показано). Термозависимая колба (на чертеже не показано) располагается в корзинке корпуса 6, имеющей как минимум одно фрезеруемое окно для обеспечения подачи нагретого огневым очагом воздуха к колбе (на чертеже не показано). Колба (на чертеже не показано) удерживает шток запорного клапана (на чертеже не показано) внутри гайки и фиксируется стопорным винтом (на чертеже не показано). Стопорный винт (на чертеже не показано), имеющий резьбу и вкручиваемый в торец корзинки корпуса 6, предназначен для удержания и стопорения термозависимой колбы (на чертеже не показано) в рабочем положении. При разрыве колбы (на чертеже не показано), шток запорного клапана (на чертеже не показано) освобождается и напором воды, находящейся под давлением 40-60 кг/см2, выходит из гайки, тем самым обеспечивая подачу воды через клапанный канал в как минимум один распылительный канал и образованное в нем огнетушащее вещество направляется наружу к защищаемой поверхности. При этом цилиндрическая форма корпуса 6 обуславливается необходимостью взаимоувязанно расположить внутреннюю камеру, каналы 1 подачи водяного потока, дюзу 2 и направить выходное отверстие дюзы 2 под углом 75-30 градусов к защищаемой поверхности.
Высвобождение накопленной энергии каждой отдельной микрокаплей происходит через клапанный канал распылителя в момент выхода из канала 1. При этом каждая микрокапля приобретает индивидуальное ускорение и траекторию движения, в зависимости от количества накопленной кинетической энергии. При этом в физическом смысле все капли пытаются оттолкнуться друг от друга, увеличивая дистанцию убегания. Дальнейшая траектория движения подавляющего большинства отдельных капель преломляется стенками дюзы 2, направляя отраженные капли навстречу друг другу. Следует дальнейшее столкновение встречно движущихся капель, с еще большей диспергацией и увеличением числа свободно и хаотично движущихся капель. Процесс хаотичного отражения и столкновения свободных капель продолжается с увеличивающейся интенсивностью. При этом микрокапли, обладающие большим зарядом кинетической энергии, захватывают слабозаряженные молекулы воздуха из воздушного потока, увеличивая тем самым собственную летучесть. Таким образом формируется процесс инжекции воздуха по каналу 3 подачи атмосферного воздуха в камеру 5 смешивания, с последующим формированием воздушно-капельного мелкодиспергированного огнетушащего вещества, формулируемого как сверхплотный мелкодисперсный водяной туман, обладающий высокой проникающей способностью, способностью мгновенно заполнять защищаемый объем помещения и высокой эффективностью тушения локальных и объемных огневых очагов классов А и В, любой категории сложности.
После проведения ряда экспериментальных исследований было установлено, что наиболее эффективным является размер диаметра канала 1 подачи водяного потока равный 0,5-1,0 мм, а диаметр дюзы 2 должен быть кратен диаметру канала 1 подачи водяного потока в соотношении 2-10. При этом длина канала 1 подачи водяного потока должна быть минимально 2 мм и максимально 10 мм, а длина дюзы 2 должна иметь кратность 2-3 относительно ее диаметра. При этом угол между каналами 1 составляет 15-30 градусов (между их осями).