Экспериментально-теоретические исследования истечения водоаэрозольных струй из различных типов распылителей

Ю.Б. Жаринов

д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой Бийского технологического института (филиал) АлтГТУ им. И.И. Ползунова

В.В. Ерофеев

д-р техн. наук, главный научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «Алтай»

Р.В. Рафиков

старший научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «Алтай»

Н.И. Десятых

старший научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «Алтай»

К.А. Полетаев

ведущий инженер-конструктор ОАО «ФНПЦ «Алтай»

УДК 614.841.345: 622.822

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТЕЧЕНИЯ ВОДОАЭРОЗОЛЬНЫХ СТРУЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ

Предложена конструкция распылителя, формирующего газокапельную водяную струю для высокоэффективного пожаротушения в ограниченных закрытых пространствах, в т.ч. в горных выработках угледобывающих предприятий.

По результатам экспериментов выбраны оптимальные конструкция форсунки и режимы подачи газа на «поршневое» вытеснение, дополнительный разгон и предварительное диспергирование воды в распылителе.

Полученные экспериментальные материалы использованы при разработке опытного образца водоаэрозольного огнетушителя с источником вытесняющего газа от пиротехнических патронов ИХГ, а также с целью тестирования методик и ПЭВМ-программы, предназначенных для численных исследований и проектных расчетов подобных устройств.

Ключевые слова: ФОРСУНКИ, ДИСПЕРГИРОВАНИЕ, ВОДОАЭРОЗОЛЬНЫЕ СТРУИ, РАСПЫЛИТЕЛИ

Общеизвестные уникальные теплофизические свойства воды в сочетании с неограниченной доступностью, дешевизной и экологической чистотой обусловили ее широкое применение в качестве огнетуша-щего вещества (ОТВ) в различных пожарно-технических устройствах. Дальнейшее существенное увеличение огнетушащей эффективности воды с одновременной минимизацией побочных ущербов окружающей обстановке от непроизводительных проливов больших масс воды, ха-

рактерных для традиционных способов ее применения, может быть достигнуто только путем использования воды (водных растворов) в тонкораспыленном состоянии [1,2]. Именно в этом направлении проводятся в последние десятилетия все перспективные разработки систем тонкораспыленной воды (ТРВ) для разнообразных устройств пожаротушения как в нашей стране, так и за рубежом [3,4,5]. Комплексный анализ механизмов пожаротушения с учетом последовательности всех сопутствующих процессов, начиная

от выброса и диспергирования воды, транспортировки водяных капель к очагу горения и заканчивая разнообразными механизмами их теплового и динамического взаимодействия с пламенем и поверхностью горения [1,6], приводит к заключению, что одним из наиболее эффективных способов использования воды в качестве ОТВ в тонкораспыленном виде является так называемый газожидкостной способ. Особенно предпочтителен этот способ при объемном тушении пожаров в ограниченных закрытых

пространствах [1]. Кроме обеспечения значительного пожаротушаще-го действия в указанных условиях, газодинамический способ выброса, диспергирования и транспортировки водяных капель позволяет наиболее полно использовать ограниченный запас энергии сжатого газа, за счет которого осуществляется выброс и диспергирование воды, и значительно уменьшить уровень рабочего давления вытеснения. А это, в свою очередь, уменьшает массу огнетушителя и безопасность его эксплуатации.

Ниже изложены некоторые результаты экспериментальных исследований по выбросу и диспергированию воды с помощью сжатого воздуха от низконапорного компрессора (Рр < 8 бар). Исследования были проведены с целью обоснования оптимальных параметров разрабатываемого водоаэрозольного огнетушителя с использованием в качестве источника вытесняющего газа продуктов сгорания пиротехнического патрона - ИХГ [7,8] и распылителя комбинированного типа. На рисунке 1 показана схема экспериментальной установки. Экспериментальная установка состоит из распылителя, закрепленного на жестком основании, емкости с водой объемом 6 л, компрессора (коаксиального масляного компании «АВАС Aira Compressa S.p.A (Италия)» D 3/50) с ресивером объемом 50 л, в который перед опытом закачивается сжатый до 7,5-7,8 бар воздух, шлангов-рукавов с запорной арматурой, подводящих к емкости и к распылителю воду и воздух. Воздух используется для «напорно-поршневого» вытеснения воды из емкости и вдува в поток воды в стволе распылителя в одном или двух сечениях с целью ее дополнительного ускорения и интенсификации распыла.

Выбор способа выброса и диспергирования воды основывался исходя из следующих соображений.

При выбросе воды через распылитель способом газодинамического «поршневого» вытеснения сжатым газом, подаваемым в свободный объем емкости с водой, процесс распада водяной струи на капли и дальнейшего дробления крупных капель происходит за пределами распылителя за счет вязкого взаимодействия струи с окружающим воздухом. В этом случае масса и энергия сжатого газа не расходуются на работу разрушения струи. Но такой способ выброса воды сопряжен с непроизводительным расходом газа, так как в период последействия относительно большая масса сжатого газа остается в объеме емкости, а затем свободно

истекает в атмосферу. При фиксированном запасе рабочего газа в водоаэрозольных огнетушителях с патронами ИХГ это обстоятельство является существенным с точки зрения технико-экономической эффективности устройства. Кроме того, ограничение давления вытеснения относительно низким уровнем (не более 10 бар) из соображений облегчения конструкции устройства и безопасности ее эксплуатации приводит к росту размеров капель. В случае газоэжекционного способа, используемого в пневматических форсунках [9] и в некоторых конструкциях огнетушителей, ускорение и диспергирование водяной струи осуществляется за счет вязкого взаимодействия при обдуве низконапорного потока воды высоконапорным потоком рабочего газа. При этом происходит более тонкий

52

распыл, но расходуется относительно большая масса газа (соизмеримая с расходом воды).

Таблица 1 - Изменение давления в ресивере с течением времени

1,4 0 1,0 2,0 4,0 24

был Р, МПа 0,78 0,73 0,725 0,72 0,72

выбран комбинированный способ использования ограниченного запаса сжатого газа для выброса и распыла воды в конструкции водоаэрозольного огнетушителя на основе патронов - ИХГ. В последнем предполагается часть газа использовать на создание избыточного давления в емкости с водой для ее «поршневого» вытеснения, а другую часть газа вдувать в поток воды в распылителе в одном или нескольких сечениях для дополнительного разгона воды и на ее предварительное диспергирование.

Так как в конструкции компрессора не был предусмотрен замер температуры сжатого воздуха в его ресивере, то для ее определения был использован следующий простой прием.

В ресивер закачивался воздух до предельного давления Ро= 7,8 кгс/см2, после чего отслеживали изменения давления в ресивере по манометру через определенные промежутки времени (таблица 1).

Из таблицы 1 следует, что через 2 ч после отключения компрессора давление в ресивере застабилизировалось на отметке 0,72 МПа. Это давление Рн соответствует температуре окружающей среды, до которой охладился воздух в ресивере в результате его теплообмена с окружающей средой. Кроме того, факт стабилизации давления воздуха в течение длительного времени после t = 4 ч показывает, что утечки его из ресивера не происходит. Зная температуру окружающей среды Тн, начальное Ро и застабилизированное Рн давления в ресивере, определим начальную температуру воздуха в ресивере по формуле:

Р

Т _ О . т

° р к

соответствующей уравнению состояния Клапейрона-Менделеева:

„ т-Я „

Р =--Т,

Ж

где m, W, R - постоянные величины массы сжатого воздуха, объем ресивера и удельная газовая постоянная воздуха соответственно.

Так как вытеснение воды из бачка сжатым воздухом происходит быстро (не более 15 с), то процесс истечения воздуха из ресивера в бачок можно считать адиабатическим. В этом случае конечное значение температуры воздуха в ресивере Т определится по соотношению Пуассона:

/ „ \

к-1

т =т

р

к1 * у

где для воздуха к = 1,4;

Р - замеренное давление воздуха в ресивере на момент завершения процесса выброса воды.

Теперь можно определить массу газа, вытекающего из ресивера за время процесса выброса воды из бачка:

РЖ РЖ

тп =т0-тК =—---—

р О к КТ кт

53

Подготовка и проведение опыта включают следующую последовательность операций:

1 Распылитель закрепляется в направляющем узле основания стенда для обеспечения выброса газокапельной струи под заданным углом в заданном направлении.

2 К распылителю подсоединяются линии подачи воды из бачка и сжатого воздуха из ресивера.

3 В бачок через открытую горловину заливается 6 л воды, после чего горловина завинчивается крышкой.

4 При закрытых кранах на всех линиях подачи включается компрессор для набора в его 50-литровый ресивер воздуха до начального рабочего давления Ро= 0,75-0,78 МПа (давление воздуха регистрируется

манометром), после чего компрессор отключается.

5 Путем открытия запорных устройств на соответствующих линиях подачи воды и воздуха к распылителю осуществляется выброс воды в заданном режиме вытеснения и диспергирования.

6 Процесс выброса газокапельной струи наблюдается визуально и снимается видеокамерой. Время выброса регистрируется секундомером.

7 В момент завершения выброса газокапельной струи запорным устройством вручную перекрывается линия подачи воздуха из ресивера и по манометру определяется остаточное (конечное) давление в ресивере Р .

После проведенных опытов обработкой на ПЭВМ видеокадров эволюции газокапельной струи в процессе ее выброса уточняется время выброса залитой в бачок порции воды и оцениваются скорость движения фронта струи и ее геометрические параметры: угол факела распыла, диаметр и дальнобойность. Для определения последней в направлении движения газокапельной струи с определенным шагом устанавливаются стойки-реперы. По величине снижения давления в ресивере ДР = Ро - Рк с учетом проходных сечений отдельных линий расчетами по разработанной методике оцениваются: общий расход воздуха из ресивера, его распределение на «газопоршневое»

Таблица 2 - Результаты сравнительных испытаний на экспериментальной установке

Номе Р опыта Номер распылителя Место подачи воздуха Р /Р (АР),, кгс/см Время процесса, с, секундомер/ видеозапись Дальнобойность, м Расход воздуха, кг

на поршневое вытеснение на диспергирование

5 2 Без вдува воздуха 7,8/6,3 (1,5) 5/- 12 0,04495 -

7 2 Вдув воздуха по каналу № 2 7,7/5,2 (2,5) 10/9,4 9 0,03964 0,06554

8 2 Вдув воздуха по двум каналам 7,7/4,3 (3,4) 12,5/- 9 0,03278 0,18135

1 1 Без вдува воздуха 7,5/6,2 (1,3) 5/4,9 16 0,04726 -

3 1 Вдув воздуха по каналу № 1 7,5/5,2 (2,3) 10/9,8 10 0.03958 0.05682

1 4 3 Без вдува воздуха 7,7/6,2 (1,5) 5,0/4,6 10 0,04726

1 5 3 Вдув воздуха по двум каналам 7,7/3,2 (4,5) 14,0/9,4 10 0,02439 0,17561

16 3 Вдув воздуха по каналу № 1 7,7/4,4 (3,3) 8,5/8,1 12 0,03354 0,10816

1 7 3 Вдув воздуха по каналу № 2 7,7/5,4 (2,3) 9,0/9,1 13 0,04117 0,05511

19 4 Без вдува воздуха 7,7/6,4 (1,3) 11,0/10,9 4,0 0,0488 -

20 4 Вдув воздуха по каналу № 2 7,7/5,5 (2,2) 15,5/17,0 9 0,04193 0,04997

21 4 (в струйном режиме) Без вдува воздуха 7,4/6,2 (1,2) 13,5/12,9 6,0 0,04726 -

22 4 (в струйном режиме) Вдув воздуха по каналу № 2 7,7/5,5 (2,2) 16,5/16,1 6,0 0,04193 0,04997

23 5 Без вдува воздуха 7,7/6,0 (1,6) 4,0/3,4 10 0,04574 -

24 5 Вдув воздуха по каналу № 2 7,7/5,5 (2,2) 5,0/5,0 11 0,04193 0,04990

научно-технический журнал № 1-2012

54 вестник

Рисунок 2 - Конструкционные особенности распылителей

вытеснение воды из бачка и на вдув (в одном или двух сечениях) в распылитель. Правильность расчетных оценок контролируется сравнением с опытными данными по полному времени процесса и по остаточному давлению воздуха в ресивере. Некоторые результаты сравнительных испытаний, проведенных на экспериментальной установке с использованием нескольких вариантов конструкций стволов-распылителей и при варьировании способами использования рабочего газа, приведены в таблице 2. Конструкционные особенности распылителей показаны на рисунке 2. Распылители № 4 и 5 использованы как база для сравнения результатов испытаний исследуемых форсунок. При этом распылитель № 4 - это комбинированная центробежно-струйная форсунка, а № 5 - форсунка с разрезной упругой диафрагмой, аналогичная распылителю импульсного водоаэрозольного огнетушителя фирмы JFEX. Все распылители были снабжены каналами для подачи воздуха в одном или двух сечениях.

Из данных таблицы 2 следует, что при комбинированном способе использования рабочего газа (например, опыты № 3, 7, 8, 15-17) его общий расход значительно увеличивается по сравнению с чисто «газопоршневым» вытеснением воды (опыты № 1, 5, 14). При этом с ростом доли газа, вдуваемой в распылитель, увеличивается в 2-3 раза время выброса воды. Это объясняется общеизвестным фактом

уменьшения коэффициента расхода жидкости (воды) в ее газокапельном состоянии по сравнению со сплошным потоком. Однако при вдуве газа в поток воды в распылителе значительно улучшаются форма факела распыла и ее дисперсность.

По результатам сравнительных испытаний распылителей для дальнейшей отработки в составе опытного образца переносного во-доаэрозольного огнетушителя выбран распылитель № 2.

Для подтверждения высокой пожа-ротушащей эффективности газокапельной струи, выбрасываемой из форсунки комбинированного типа, было осуществлено тушение модельного очага пожара класса 1А (по НПБ 155-96). Пожар был потушен за 13,5 с в один прием 6 л воды.

При использовании распылителя № 5 под действием мощного удара струи модельный очаг пожара был опрокинут в начальный момент тушения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Дауэнгауэр, С.А. Пожаротушение тонкораспыленной водой: механизмы, особенности, перспективы / С.А. Дауэнгауэр // Пожаровзрывобезопасность. - 2004. - № 6. - С. 78-81.

2 Цариченко, С.Г. Некоторые вопросы пожаротушения тонкораспыленной водой. Средства спасения и противопожарная защита: каталог. - М., 2004. - С. 203-204.

3 Цариченко, С.Г. Состояние вопроса использования тонкораспыленной воды при тушении пожаров / С.Г Цариченко

// Алгоритм безопасности. - 2003. - № 2. - С. 14-16.

4 Корольченко, А.Я. Технология импульсного водяного пожаротушения JFEX-3000 / А.Я. Корольченко // Пожаровзрывобезопасность. - 2001. - № 2. - С. 3-5.

5 Душкин, А.Л. Мобильные и стационарные системы пожаротушения тонкораспыленной водой / А.Л. Душкин, С.С. Янышев, А.В. Карпышев // Крупные пожары: предупреждение и тушение: материалы XVI научно-практической конференции. - М.: ФГУ ВНИИПО МВД России, 2001. - Ч. 2. - С. 30-33.

6 Жуков, А.П. Численное исследование процесса тушения модельного пожара твердого топлива струей распыленной воды / А.П. Жуков, РВ. Рафиков // Проблемные вопросы утилизации смесевых твердых топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники: материалы 2-й Всероссийской конференции. - М., 2003. -С. 186-191.

7 Источники холодного газа нового поколения. Безопасность в обращении, надежность в эксплуатации / В.Н. Осипков, Д.Н. Никитин, А.Н. Расторгуев, ГЮ. Шейтельман // Пожаровзрывобезопасность. - 2001. - № 1. - С. 51-55.

8 Пиротехнические источники газа для создания избыточного давления в объемах огнетушителей / А.Г Груздев, Д.Н. Никитин, В.Н. Осипков, А.Н. Расторгуев, Г.Ю. Шейтельман // Крупные пожары: предупреждение и тушение: материалы XVI научно-практической конференции. - М.: ФГУ ВНИИПО МВД России, 2001. - Ч. 2. -С. 345-348.

9 Пажи, Д.Г. Форсунки в химической промышленности / Д.Г. Пажи, А.М. Прахов, Б.Б. Равикович. - М.: Химия, 1971. -320 с.

EXPERIMENTALLY-THEORETICAL RESEARCHES OF WATER- Жаринов Юрий Борисович

AEROSOL STREAMS OUTFLOW FROM VARIOUS TYPES OF тел. 89039497176

SPRAYERS

Yu.B. Zharinov, V.V. Yerofeev, R.V. Rafikov, N.I. Desiatykh, K.A. Ерофеев

Poletaev Виталий Владимирович

The design of spray forming gas-drop water stream for a highly effective тел. (3854) 30-17-40

firefighting in limited closed spaces, including mine openings of coal-

mining enterprises is suggested. Рафиков Ренат Вазихович

By experiment results the optimum design of an atomizer and gas feeding тел. (3854) 30-58-35

modes are chosen for «piston» replacement, additional acceleration and

preliminary water dispersing in the sprayer. Десятых Наталья Ивановна

The received experimental materials are used at pre-production model of тел. (3854) 30-17-40

water-aerosol fire extinguisher development with a source of replacing gas

from pyrotechnic cartridges IHG, and also for the purpose of the methods Полетаев

and the PC program testing, aimed at numerical researches and design Константин Альбертович

calculations of similar devices. тел. (3854) 30-15-13

Key words: ATOMIZERS, DISPERSING, WATER-AEROSOL STREAMS,

SPRAYERS

56