Способ создания газокапельной струи и установка для создания для его осуществления
METHOD FOR CREATION OF GAS-DROP JET AND INSTALLATION FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемая группа изобретений относится к способам и установкам создания газокапельной струи, используемой для пожаротушения.
Предлагаемая группа изобретений может быть использована в установках, работающих автономно, и в которых используют технологию получения высоко концентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель.
Предлагаемая группа изобретений может быть использована при тушении торфяника, лесных пожаров, пожаров в высотных зданиях и т.п., т.к. она обеспечивает увеличение скорости огнегасящей струи и большую дальность, повышая этим тушащие свойства струи.
Известен способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (Патент РФ №2236876, по кл. А62С 3/00,2003).
Недостатком известного способа является ограниченный характер используемых путей формирования двухфазного потока, снижающих эффективность газокапельной струи, в частности, потери кинетической энергии жидкости при формировании дисперсного потока газокапельной структуры.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (см. патент РФ №2292959 по кл. В05В 7/04,2005 г).
В способе создания газокапельной струи часть энергии рабочего тела теряется при отборе рабочего тела между турбинами для формирования струи.
Известна установка для пожаротушения, например, устанавливаемая на автомобиле, которая состоит из емкости для огнегасящей жидкости, насоса высокого давления, связанного с емкостью и подающего жидкость в пожарный ствол (см. каталог «Пожарные машины », за 2002 г.).
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка, включающая монтажную раму, газотурбинный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, имеющей, по крайней мере, две ступени и выходное сопло, его топливную систему, топливный бак, механически связанные с двигателем, электрогенератор и водяные насосы высокого, среднего и низкого давления, накопительную емкость для жидкости, связанное с ней водозаборное устройство, выполненное в виде приемного рукава, соединенного с насосом низкого давления, поворотный пожарный ствол, привод его поворота, систему управления, которая связана с приводом поворота пожарного ствола и электрогенератором, трубопроводы, узел смешивания жидкости и газа пожарного ствола, связанный с входом подачи жидкости и имеющей входы подачи газового рабочего тела, пенообразующее устройство, соединенное трубопроводом с узлом его подачи в узел смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола, (патент РФ №2236876, по кл. А62С 3/00,2004 г.)
В известной установке часть энергии рабочего теряется при отборе сжатого рабочего тела от компрессора или при установке отдельного компрессора для формирования струи.
Недостатками известной установки являются:
- ее низкая экономичность из-за низкого КПД использования газотурбинной установки, т.к. используемый в пожарной системе воздух,
отбираемый от основного компрессора, или от дополнительного компрессора, не совершает работы расширения на турбине;
- тепло, содержащееся в воздухе после компрессора (температура воздуха после компрессора может быть порядка 500-700К) безвозвратно теряется, нагревая воду, и вместе с ней выбрасывается в атмосферу;
-также теряется тепло, выбрасываемое из сопла двигателя.
Использование воздуха в качестве рабочего газа (воздух, используемый для разгона капель), и попадающий в очаг горения, являются хорошим окислителем, способствующим горению.
В обоих технических решениях, принятых автором за прототипы, часть полезной работы сжатия теряется, поскольку эта часть газа используют для формирования струи.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой группой изобретений, является получения способа создания газокапельной струи и установки для его осуществления, позволяющих получать струю огнегасящей жидкости с повышенной дальностью и скоростью полета при частичной замене воздуха, содержащего окислитель (кислород), и используемого для создания газокапельной струи, на продукты сгорания, практически не содержащие окислителя.
Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием способа создания газокапельной струи, включающего подачу жидкости и газового рабочего тела, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым рабочим телом и движение полученного двухфазного газокапельного потока, в котором согласно изобретению, в качестве газового рабочего тела используют смесь отработанных продуктов сгорания газотурбинного двигателя и воздуха окружающей среды, эжектируемую в камеру смешивания жидкости и газового рабочего тела, В предлагаемом способе для создания струи используются полностью отработанные продукты сгорания: отбор газа производится либо за соплом ГТД (газотурбинного двигателя), либо на выхлопе другого теплового двигателя (например, поршневого дизельного или бензинового двигателя).
При использовании ГТД на выходе из сопла имеется достаточное количество газа (продуктов сгорания) для формирования струи, а в поршневых двигателях продукты сгорания могут содержать недостаточное количество газа для формирования струи. В этом случае, дополнительное количество газа (воздуха) берется из окружающей среды.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием установки для создания газокапельной струи, включающей монтажную раму, двигатель, его топливную систему, топливный бак, механически связанный с ним электрогенератор и водяные насосы высокого и низкого давления, накопительную емкость для жидкости, связанное с ней водозаборное устройство, выполненное в виде приемного рукава, соединенного с насосом низкого давления, поворотный пожарный ствол, привод его поворота, систему управления, которая связана с приводом поворота пожарного ствола и электрогенератором, трубопроводы, камеру смешивания жидкости и газового рабочего тела, связанную с входом подачи жидкости и имеющей входы подачи газового рабочего тела, в которой, согласно изобретению, поворотный пожарный ствол, выполнен в виде газодинамического эжектора, соединенного с камерой смешивания жидкости и газового рабочего тела, в которой выполнены входы для эжектирования внешней среды (воздуха) и для подвода продуктов сгорания от двигателя.
Предлагаемая группа изобретений, а именно, способ создания газокапельной струи и устройство для его осуществления, поясняется нижеследующим описанием способа и схемой установки для создания газокапельной струи конструкции
Установка для создания газокапельной струи включает монтажную раму 1, установленные на ней двигатель, газотурбинный или другой, соединенный с ним механически, например, трансмиссией (на черт, не показана) водяной насос высокого давления 3, водяной насос низкого давления4и электрогенератор 5, водозаборное устройство 6, привод поворота пожарного ствола 7, система управления установки 8, связанная с электрогенератором 5 и приводом поворота пожарного ствола 7.
Двигатель, включает топливную систему 9 с топливным баком 19.
При этом двигатель связан с пожарным стволом, выполненным в виде газодинамического эжектора 10, соединенного с ним устройства смешивания жидкости и газового рабочего тела камерой смешения 11 с отверстиями 13 для эжектирования внешней среды (воздуха) и трубопровода 14 для подвода продуктов сгорания от двигателя 2.
Пожарный ствол может быть установлен отдельно от монтажной рамы 1 в зависимости от условий размещения установки на транспортном носителе, но он обязательно соединен через камеру смешения 11 трубопроводом с насосом высокого давления 3, выходом продуктов сгорания 12 из двигателя, и с приводом поворота ствола 7.
Продукты сгорания двигателя и воздух эжектируют эжектором 10.
С целью уменьшения потерь энергии насос высокого давления 3, приводимый от трансмиссии, соединен входным трубопроводом с резервным водяным баком 15, а выходным трубопроводом с камерой смешения 11.
Водозаборное устройство выполнено в виде приемного рукава 6, соединенного с насосом низкого давления 4, связанного с двигателем и соединено через обратные клапаны с накопительной емкостью для жидкости 15.
Пенообразующее устройство, связанное с устройством смешивания жидкости и газа пожарного ствола выполнено в виде емкости с пенообразователем 16, соединенной трубопроводом с закрывающим краном 17 и узлом его подачи 18 в камеру смешения 11.
Работа предлагаемой установки для создания газокапельной струипроисходит следующим образом:
предварительно автономную установку подготавливают к работе, заполняя емкости 16 пенообразователем, емкость 15 - жидкостью, а емкость 19 - топливом.
Закрепляют ее на транспортном носителе, например, автомобиле или вертолете и доставляют в зону тушения пожара. Установку располагают на необходимом расстоянии от очага пожара.
Затем запускают двигатель, который через механическую
трансмиссию приводит в движение насос низкого давления 4, насос высокого давления 3, электрогенератор 5.
Насос высокого давления подает воду в камеру смешения 11, соединенную с эжектором 10.
Насос низкого давления по трубопроводам подает огнегасящую жидкость (воду) из накопительной емкости жидкости 15 в устройство смешивания жидкости и газового рабочего тела 11. В устройство смешивания камеру смешения 11 также подают газовое рабочее тело (продукты сгорания), засасываемые с помощью эжектора 10. В результате на выходе из эжектора формируется двухфазная газокапельная струя 20.
С целью максимального покрытия зоны пожара с помощью системы управления установки 5 и привода поворота 7 пожарного ствола, его поворачивают в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
В случае тушения легковоспламеняющихся, горючих жидкостей применяют пенообразователь, которым заполнена емкость 16. Для этого открывают закрывающий кран 17, и пенообразователь по трубопроводу поступает через узел его подачи 18, например, эжекторного типа, в устройство смешивания 11. Смешивание жидкости и газового рабочего тела производят любым известным способом (например., как в прототипе) и заявитель не претендует на новизну.
Смешиваясь с огнегасящей жидкостью, пенообразователь создает на выходе из пожарного ствола пену, которая покрывает очаг пожара, прекращая поступление кислорода, необходимого для горения.
При использовании всего запаса огнегасящей жидкости (воды) в накопительной емкости 15 возможно наполнение ее дополнительным количеством жидкости от внешнего источника, например, водоема или автоцистерны..
В первом случае, (водоем) включают насос низкого давления 4, работающий от двигателя, через муфту сцепления (на чертеже не показана), причем насос 4 соединен приемным рукавом 6, который через обратные клапаны связан с накопительной емкостью д ля жидкости 15 и начинают закачивание жидкости.
В случае пополнения запаса жидкости от пожарной машины насос низкого давления не используют т.к. у машины есть свой насос, который и используют.
В данной ситуации приемный рукав 6 подключается к выходному каналу пожарной машины, и он через обратные клапаны непосредственно будет связан с накопительной емкостью для жидкости 15.
Использование эжектора вместо сопла исключает использование компрессора как при отборе газового рабочего тела либо за компрессором, либо из пространства за ступенями турбины, либо получения его от отдельного компрессора, что позволяет снизить энергетические затраты на 8-20% в зависимости от параметров системы, но существенно упрощает конструкцию устройства и снижает вес.
Также проведена оценка использования газотурбинного двигателя с параметрами:
Расход воздуха G=9 кг/с
Степень сжатия компрессора π=9
Температура газового рабочего тела перед турбиной T-=1190 К
Потери энергии в форме тепла при использовании двигателя с данными
параметрами снижаются на 13-15% в зависимости от конструктивной схемы работы устройства.