ГЕНЕРАТОР ПЕНЫ ВЫСОКОЙ КРАТНОСТИ С ФИГУРНЫМ НАСАДКОМ

Предполагаемая полезная модель относится к области противопожарной техники и предназначено к применению в установках пенного пожаротушения.
Известны устройства - генераторы, которые используются для получения пены средней и высокой кратности для тушения пожаров проливов горючих жидкостей и пожаров в закрытых помещениях стеллажных складов и станций по перекачки нефтепродуктов.
Конструкция известных генераторов пены состоит из распылителей раствора пенообразователя, сетки, выполненной из металлической проволоки или другого материала, трубопровода для подвода водного раствора к распылителям и крепежного приспособления, фиксирующего положение сетки и распылителей. Воздух, необходимый для получения подается с помощью вентилятора или вовлекается внутрь струей распыленного раствора.
Наиболее известные генераторы пены высокой кратности предусматривают получение пены от принудительного наддува воздуха от вентилятора. Воздух проходит через металлическую сетку, на которую непрерывно подается распыленный раствор пенообразователя. Кратность пены зависит от соотношения расходов воздуха и водного раствора. [1, 2]
Существенным недостатком этого генератора является низкая производительность, поскольку образование пены, в этих условиях, возможно только при низком давлении воздуха, поскольку с повышением давления происходит срыв процесса образования пены, и из генератора отдельно выходят воздух и раствор пенообразователя.
Известным аналогом, к предполагаемой полезной модели, по использованию перфорированной поверхности и способу вовлечения воздуха в генератор пены, является устройство, описанное в патенте [4].
Устройство состоит из металлического корпуса и тонкого, перфорированного сквозными отверстиями металлического листа или металлической сетки, которые расположены за корпусом генератора и полностью перекрывают все сечение металлического корпуса. При этом перфорированный лист герметично соединяется с корпусом генератора, так что весь раствор и воздух проходят через отверстия в перфорированном металлическом листе.
Генератор пены работает за счет напора распыленной струи водного раствора пенообразователя, которая формируется с помощью специальных насадок. Воздух втягивается (эжектируется) в корпус генератора распыленной струей воды. В результате прохождения раствора и воздуха через перфорированную металлическую поверхность образуется пена. Средний диаметр пузырьков пены в два-три раза больше чем диаметр отверстия в металлическом перфорированном листе. Средний размер пузырьков составляет 6…8 мм. Чем выше скорость образования и кратность пены, тем больше средний размер пенных пузырьков.
Применение этой конструкции ограничено величиной давления распыленной водной струи, а пена, из-за монодисперсного состава обладает высокой вязкостью и предельным напряжением сдвига, поэтому процесс ее растекания замедлен, поэтому время тушения пеной, полученной из этого генератора очень большое.
Основным недостатком известных генераторов пены является их свойство производить пену практически одной дисперсности, т.е. размеры пузырьков мало отличаются друг от друга. Монодисперсная пена высокой кратности отличается очень большой вязкостью и высокой прочностью структуры при механическом сдвиге. Так, вязкость пены кратностью 800 в 10000 раз больше чем у воды, поэтому она не растекается и накапливается в месте падения. Поэтому основной недостаток конструкции известных генераторов пены обусловлен недостатками производимой ими пены.
Эффективность применения монодисперсной пены высокой кратности затруднено по следующим причинам:
- плохое растекание пены;
- ограничение по высоте защищаемого ими помещения, из-за самопроизвольного разрушения слоя монодисперсной пены;
- ограниченность по величине рабочего давления водного раствора на входе в генератор;
- большие размеры и масса генератора пены высокой кратности.
Чем выше кратность пены, тем больше ее вязкость и тем выше прочность ее структуры при механическом сдвиге, и тем хуже она растекается. При этом пена накапливается около места ее падения, препятствуя равномерному заполнению защищаемого от пожара помещения.
Ограничение по высоте защищаемого помещения связано с существованием в каналах пены большого капиллярного давления, которое приводит к ее самопроизвольному разрушению. Если высота пенного слоя превысит некоторые предельные значение, при котором капиллярное давление пенных каналов достигнет предельной величины, то производимая пена будет разрушаться, а высота пенного слоя останется практически неизменной. Величина предельного значения зависит от природы пенообразователя и в большинстве случаев не превышает 1,5 м. Поэтому существует предельная высота, выше которой монодисперсная пена высокой кратности не поднимается, несмотря на непрерывную работу генератора.
Дополнительным недостатком существующих генераторов пены является низкое рабочее давление, при котором может образовываться пена. Рабочее давление генераторов пены со сплошной перфорированной металлической сеткой не превышает 6 бар. В практике величина давления раствора может колебаться от 5 до 9 бар, поэтому необходимо использовать ограничители или регуляторы давления раствора, в противном случае произойдет срыв процесса образования пены.
Ближайшим аналогом, принятым в качестве прототипа, является устройство схема которого приведена в патенте [3].
Конструкция устройства - прототипа имеет распылители раствора, которые вовлекают воздух внутрь генератора, а процесс образования пены происходит на основном участке металлической сетки и на плоском насадке, выполненный из металлической сетки с отверстиями меньшего размера, чем у основного участка. Благодаря наличию дополнительного насадка, выполненного из проволоки меньшего размера, структура пены становится полидисперсной, что снижает вязкость пен и увеличивает ее огнетушащую эффективность.
Недостатком генератора, по патенту-прототипу является низкое рабочее давление, при котором может образовываться пена. Рабочее давление генераторов пены с набором металлических сеток не превышает 6 атм.
Для преодоления указанных выше недостатков, повышения огнетушащей эффективности пены высокой кратности предлагается использовать конструкцию генератора пены так, чтобы вместо монодисперсной пены производить полидисперсную пену, причем предлагаемая полидисперсная пена, должна состоять из двух, сильно отличающихся между собой по размерам, фракций пенных пузырьков. Первая фракция имеет средний размер пузырьков 8-10 мм, вторая - 40…100 мм. Большое различие в размерах пузырьков формирует особую пенную структуру, в которой основная масса мелких пузырьков пены разделяется крупными включениями воздуха.
Цель данной полезной модели заключается в создании конструкции генератора, с помощью которой можно производить пену, структура которой включает чередующиеся участки монодисперсной пены, которые периодически разделяется между собой. Предлагается конструкция генератора, которая позволяет получать полидисперсную пену, состоящую из двух фракций пузырьков сильно отличающихся между собой.
Для достижения поставленной цели предлагается конструкция генератора пены, которая отличается от известной тем, что в сквозной проем, который располагается на выходе из генератора пены, устанавливается фигурный насадок, изготовленный из перфорированного металлического листа. Металлическая поверхность не перекрывает все сечение металлического корпуса и содержит долю поверхности открытой для свободного прохода воздуха и распыленного водного раствора.
С целью производства полидисперсной пены перфорированный металлический лист, использованный для изготовления фигурного насадка, имеет превышение над плоскостью листа, а форма фигурного насадка может быть выполнении в виде одноосных концентрических цилиндров или в виде поверхности закрученной в виде спирали.
Конструкция генератора с фигурным насадком представлена на рис. 4. В процессе работы пеногенератора часть смеси раствора с воздухом проходит мимо перфорированной сетки и попадает непосредственно в пену.
Принцип действия генератора с фигурными насадками.
Если насадок выполнен из перфорированного листа, в виде спирали или коаксиальных цилиндров, то поток, распыленного раствора и воздуха, вначале, поступает, на горизонтальную поверхность фигурного насадка, смачивает его поверхность, при не высоком касательным напряжении, поскольку в этой части насадка зазор между цилиндрическими поверхностями составляет расстояние. Первоначально, пена образуется на горизонтальной поверхности, за счет перепада давления воздуха между поверхностями фигурного насадка около 15 мм.
Одновременно, на отверстиях перфорированной поверхности, образуется монодисперсная пена, которая, сливаясь между собой, перекрывает участок, на котором формируется поток пены, образованный на фигурном насадке. Этот процесс периодически повторяется, поэтому структура пены включает участки монодисперсной пены, которые разделены потоком больших пузырей пены.
В результате, нарушается структурное единство пены. Порции монодисперсной пены отделяются друг от друга включениями крупных пузырьков, сформированных на фигурном насадке. Поэтому, сдвиговая прочность и вязкость пены резко снижаются и пена легко растекается по горящей поверхности и равномерно заполняет объем защищаемого помещения.
Конкретные примеры предлагаемых устройств генераторов полидисперсной пены высокой кратности и результаты сравнительных испытаний.
На рис. 1 и 2 показаны схемы предлагаемых конструкций генераторов полидисперсной и двух фракционной пены высокой кратности соответственно. В зависимости от назначения и производительности по пене генераторы могут иметь различную форму и различную площадь поверхности перфорированной поверхности. Общим отличием предлагаемых конструкций является наличие проемов, в которых установлены фигурные насадки в виде коаксиальных цилиндров или спиралевидных перфорированных металлических листов.
Результаты сравнительных испытаний по величине рабочего давления раствора и кратности, получаемой пены, приведены в табл. 1.
Результаты сравнительных испытаний по величине поверхности покрытой пеной, которая производится из устройства прототипа и из предлагаемого нами генератора полидисперсной пены представлены в табл.2.
Результаты сравнительных испытаний показывают явное преимущество предложенного нами генератора пены, эффективность которого в 1,5…2,0 раз выше, чем у генератора - прототипа
Предлагаемое нами устройство имеет существенную новизну и существенное отличие от устройства-прототипа и обеспечивает повышенную эффективность при производстве пены для целей тушения пожаров.
Были проведены сравнительные испытания огнетушащей эффективности предлагаемой конструкции генератора высокократной пены с фигурным насадком и генератора, принятого за прототип. Экспериментальные испытания огнетушащей эффективности пены высокой кратности для тушения пожаров аварийных проливов нефтепродуктов проводили на открытом воздухе. Модельный очаг пожара составляли из сочетания поддонов с горючим различной площадью и различным взаимном расположением. Для получения пены использовали водные растворы углеводородных пенообразователей в концентрации, указанной производителем. Рабочие растворы пенообразователей готовились на водопроводной воде. В качестве горючей жидкости использовали гептан и дизельное топливо.
2
Пожар локального пролива с механическими препятствиями имитировали путем комбинирования поддонов с различной площадью поверхности, высота борта которых составляла 15 см. Площадь горения изменяли путем различного расположения и расстояния поддонов, относительно друг друга. Поверхность тушения составленная из поддонов, изменялась от 3 до 15 м. Расход раствора пенообразователя в экспериментах, составлял 1 л/с, кратность пены от 400 до 700. Генератор пены высокой кратности устанавливался на кронштейне на высоте 1,5 м. от пола. Расстояние полета пенной струи высокой кратности составляло 5-8 м. От места падения пена быстро растекалась в сторону поддонов с горящим гептаном. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 8.
Увеличение расхода пены ведет к росту, при тушении пламени пены высокой кратности также ведет к увеличению средней толщины пенного слоя, поэтому здес, также, существует оптимальный режим процесса тушения. Для снижения сопутствующего эффекта пену следует подавать из двух, или трех точек, это зависит от характера горючей нагрузки и масштаба защищаемого помещения.
В зависимости от площади модельного очага время тушения изменялось с 30 с до 90 с, в зависимости от направления ветра, скорость которого составляла в порывах до 6 м/с. При использовании генератора по прототипу, из-за высокой вязкости пены, время тушения всегда превышало 200 с. Поэтому, предложенная конструкция генератора пены с фигурными насадками, эффективнее прототипа более чем в два раза.
Таким образом, проведенные эксперименты показали высокую огнетушашую эффективность пены высокой кратности, полученной на генераторе с фигурным насадком, в часности с насадком спирального вида. Эффективность предложенной конструкции генератора по исследованным параметрам оказалас больше чем у прототип в 1,5-2,5 раза.
На рис. 3 изображена схема предлагаемой конструкции генератора с фигурным насадком, выполненным в виде вогнутого эллипса.
На рис. 4 изображен генератор со спиральным насадком.
На рис. 5 изображена схема экспериментальной установки с генератором с насадком в действии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент США US 3780812 A «Method and apparatus for generating fire-fighting foam», 1973
2. Патент США US 465391 A «Method of producing foam and foam generator», 1987
3. Патент Швеции SW 7405591-6, 1976
4. Патент США US 5785126 кл, A62C 5/4. 1994 A Method of extinguishing of fire in open or closed spaces and means for performing the method Svenska Skum Ab