Газогенератор для устройства пожаротушения, формирующего самовспенивающуюся струю
GAS GENERATOR FOR A FIRE EXTINGUISHING DEVICE THAT FORMS A SELF -OPERATING STREAM

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к газогенерирующим устройствам средств пожаротушения и может быть использована в устройстве, формирующим самовспенивающуюся струю, в котором используется система вытеснения продуктами газогенерации с высокой температурой из герметичной емкости водного раствора с пенообразователем, и вытеснение охлажденными продуктами газогенерации из другой герметичной камеры гранулированного гидрореагирующего состава в ствол устройства пожаротушения. Струя водного раствора пенообразователя с введенным в нее гидрореагирующим составом истекает из ствола в невспененном состоянии, а вспенивание струи обеспечивается на заданном расстоянии за срезом ствола.
Известна конструкция газогенератора, в котором охладитель выполнен в виде лабиринта из коаксиальных цилиндров из теплопоглощающего материала (авторское свидетельство №860773, МПК А62С 13/22, 1981 г.) Для получения газа с температурой 300°С данная конструкция требует мощную систему охлаждения, увеличивает массу газогенератора.
Известна конструкция газогенератора для получения инертного газа (авторское свидетельство на полезную модель №3464, МПК F02C 7/25, 1997 г.), содержащего корпус, внутри которого размещены: твердотопливный заряд, воспламенитель и фильтр-охладитель, который выполнен из виброуплотнительного песка с различными фракциями и имеет опорную перфорированную решетку. Данная конструкция не может обеспечить стабильность выходных параметров температуры, расхода газа, в процессе работы происходит зашлаковка пор дисперсного материала охладителя, что приводит к незапланированному изменению давления в камере сгорания газогенератора.
Известен газогенератор (патент RU 2292234 C, МПК B01J 19/14, опубл. 27.01.2007), состоящий из корпуса, внутри которого размещены твердотопливный заряд, воспламенитель и фильтр-охладитель, выполненный из газопроницаемого крупнозернистого порошка, отличающийся тем, что фильтр-охладитель содержит размещенные перпендикулярно его оси газопроницаемые диски, выполненные из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность дискового порошка охладителя. Данная конструкция также не может обеспечить стабильность выходных параметров газа из-за зашлаковки фильтра-охладителя.
В описанных выше газогенераторах охладитель не является дополнительным источником рабочего тела. Подробно описаны различные схемы газогенераторов в книге «Газогенераторы ракетных систем» (М.: «Машиностроение». 1981. - 152 с.), которые позволяют получить низкотемпературный газ при сгорании твердого ракетного топлива. Однако в книге нет описания схемы конструкции газогенератора, обеспечивающего получение одновременно газа с различной температурой, как рабочего тела для питания устройств-потребителей.
В патенте RU 2756039 C1 (МПК А62С 5/02, А62С 32/02, опубл. 24.09.2021) предложены способ формирования самовспенивающейся струи заданной кратности и устройство для его реализации, которое принято за прототип, газогенератор с зарядом твердого топлива, обеспечивающий истечение через сопловые отверстия продуктов сгорания твердого топлива в герметичную емкость с водным раствором пенообразователя, внутри которой установлена герметичная камера с гранулированным гидрореагирующим составом. Газогенератор снабжен ресивером с фильтром - охладителем, сообщенным с внутренней полостью герметичной камеры через форсуночное устройство подачи продуктов сгорания по всему объему камеры с гидрореагирующим составом.
Чем выше удельная работоспособность газов (RT, R - газовая постоянная, Т - температура газа) подаваемых в герметичную емкость с водным раствором, тем меньше потребуется твердого ракетного топлива для вытеснения заданного объема жидкости.
Температура продуктов сгорания твердого топлива для вытеснения водного раствора выбирается исходя из стойкости конструкции к перегреву, а при вытеснении гранулированного гидрореагирующего состава из возможности продуктов газогенерации создавать взвесь из гранул без их коагуляции и сублимации.
В конструкции газогенератора применен охладитель, который не является дополнительным источником рабочего тела, что требует увеличенного количества твердого топлива. В этом устройстве затруднено обеспечение полного равномерного вытеснения гранулированного гидрореагирующего состава из герметичной камеры без коагуляции и сублимации. Недостатками конструкции газогенератора является также то, что в процессе работы газогенератора происходит зашлаковка продуктами сгорания твердого топлива фильтра-охладителя. Это приводит к незапланированному повышению давления в камере сгорания газогенератора и не обеспечивает заданный эпюры вытеснения как водного раствора, так и гранулированного гидрореагирующего состава.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы газогенератора за счет применения охладителя, являющегося дополнительным источником рабочего тела с заданными характеристиками, и равномерности вытеснения продуктами сгорания водного раствора и гранулированного гидрореагирующего состава за счет изменения конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что газогенератор устройства пожаротушения, формирующего самовспенивающуюся струю, обеспечивающий истечение продуктов сгорания твердого топлива через сопла, направленные под углом к оси газогенератора в камеру с водным раствором пенообразователя, и через охладитель в форсуночное устройство состоит из двух последовательно расположенных камер. Заднее днище камеры с зарядом твердого топлива оснащено коническим соплом с перерасширением, направленным по оси в камеру с эндотермически разлагающимся охладителем, закрепленным с двух сторон опорными решетками, причем передняя решетка является рассекателем газового потока, а заднее днище камеры с охладителем, снабжено пилонами, крепящими на некотором расстоянии от днища изогнутую по течению охлажденного потока газа пластину с центральным отверстием, соединенную с форсуночным устройством, и формирующую, совместно с днищем, кольцевое отверстие.
На фиг. 1 - схема устройства пожаротушения, формирующего самовспенивающуюся струю.
На фиг. 2 показаны следующие диаграммы:
- термогравиметрическая диаграмма изменения полноты газификации охладителя (оксалата аммония) η от температуры;
- диаграмма изменения скорости подачи тепла ∂Q/∂T, воздействующего на охладитель (оксалат аммония) от температуры;
- диаграмма изменения величины эндотермического эффекта реакции разложения охладителя (оксалата аммония)  от температуры.
На фиг. 1 газогенератор (1) содержит камеру с зарядом твердого ракетного топлива (2) с воспламенительным устройством (3) на переднем днище камеры. Камера с зарядом твердого топлива расположена в герметичной емкости с водным раствором пенообразователя (4). Заднее днище камеры снабжено соплами (5), направленными под углом к оси камеры в герметичную емкость с водным раствором пенообразователя (4), а одно коническое сопло (6) с перерасширением направленно по оси во вторую камеру с охладителем (7).
Заднее днище камеры с зарядом твердого топлива является одновременно передним днищем второй цилиндрической камеры (7) с охладителем, выполненной из теплоемкого материала.
4
2
2
4
2
Охладитель (8), который представляет собой таблетированные элементы или моноблочный многоканальный заряд, зафиксирован с двух сторон опорными решетками (9), передняя решетка является рассекателем газового потока. В качестве охладителя используется оксалата аммония моногидрат (NH)СО⋅НО в связующем - каучуке.
Заднее днище камеры с охладителем снабжено несколькими пилонами, крепящими на некотором расстоянии от днища изогнутую навстречу охлажденному потоку газа пластину, формирующую кольцевое отверстие (11) и имеющую одно центральное отверстие (12).
Пластина соединена с трубкой форсуночного устройства (13) из теплоемкого материала, снабженной рядом струйных форсунок и расположенной соосно внутри герметичной камеры (14) с гидрореагирующим составом, которая размещена внутри герметичной емкости с водным раствором пенообразователя (4).
Для подачи гранул гидрореагирующего состава в ствол (16) используется форсунка (15). Для подачи в ствол (16) водного раствора с пенообразователем из герметичной емкости (4) используются форсунки (17).
Продукты сгорания твердого топлива истекают из камеры газогенератора в камеру охладителя со сверхзвуковыми скоростями. Для повышения эффективности работы охладителя их тормозят, используя сопло с перерасширением, которое обеспечивает отрыв потока от стенок сопла и прямой скачок внутри сопла.
T
кр
a
а
т
Для обеспечения отрыва потока от стенок сопла необходимо, чтобы расширение сопла  где ,  d - диаметр в месте отрыва потока от стенок сопла, d - критическое сечение сопла, d - диаметр среза сопла, ξ - геометрическая степень расширения сопла, ξ - степень расширения, соответствующая отрыву потока от стенок сопла:
где
0
2
Р - давление в камере с зарядом твердого топлива, кг/см;
Н
2
Р - давление в камере с охладителем, кг/см;
k - показатель адиабаты;
кр
π - газодинамическая функция относительного давления.
(А.А. Шишков «Газодинамика пороховых двигателей» стр. 77, изд. «Машиностроение», Москва, 1968.)
0
Н
кр
Т
Для продуктов сгорания твердого ракетного топлива при k=1,16, Р=25, Р=10, π=0,57: ξ=1,23.
Таким образом, для обеспечения гарантированного отрыва потока от стенок сопла и переход в дозвуковой режим течения в камере с охладителем необходимо, чтобы
2
2
2
4
Эндотермическая реакция разложения охладителя происходит под воздействием тепла от продуктов сгорания твердого топлива. Охладитель разлагается на следующие компоненты: HO, N, СО, СО, СН.
Масса охладителя (8) с учетом его полного разложения в соответствии с тепловым балансом оценивается следующим образом:
где
охл
m - масса охладителя, кг;
ТТ
m - масса твердого топлива газогенератора, кг;
η - полнота сгорания твердого топлива газогенератора;
н.TT
Q - низшая теплота сгорания твердого топлива газогенератора,
- удельная величина эндотермического эффекта - количество тепла поглощенного охладителем при прохождении через него продуктов сгорания твердого топлива,
охл
С - теплоемкость гранул охладителя,
0
Т - температура окружающей среды, К;
- температура окончания разложения охладителя, К.
Значения  и  выбираются исходя из термогравиметрической диаграммы и диаграммы изменения величины эндотермического эффекта реакции разложения охладителя при полноте разложения η=1(Фиг. 2).
При оценке массы охладителя принято следующее допущение, что по окончании его разложения температура смеси продуктов сгорания твердого топлива и разложения охладителя станет равной
Значения характеристик физико-химических превращений, плотности и теплоемкости оксалата аммония представлены в таблице 1.
m
В таблице  - температура начала разложения охладителя, ρ - плотность таблетированных капсул охладителя. Взаимодействие смеси продуктов сгорания твердого топлива и продуктов разложения охладителя с гидрореагирующим составом, представляющим собой смесь порошкообразных кислот и солей, образующих при гидролизе щелочную среду, происходит только физически без химических реакций в диапазоне рабочих температур 333-348 К. Пример гидрореагирующего состава: смесь лимонной кислоты (45%), гидрокарбоната натрия (50%) и глицерина (5%).
Для исключения коагуляции и сублимации гранулированного гидрореагирующего состава смесью продуктов сгорания твердого топлива и продуктов разложения охладителя корпус камеры с охладителем и трубка форсуночного устройства должны быть выполнены из материала высокой теплоемкости.
гидрореаг.сост
Исходя из теплового баланса при охлаждении смеси продуктов сгорания твердого топлива и разложения охладителя от температуры окончания разложения охладителя  до верхней границы диапазона рабочих температур гидрореагирующего состава (Т), масса конструкции форсуночного устройства оценивается следующим образом:
где
констр
С - теплоемкость материала форсуночного устройства,
р прод.сгор.ТТ
С - теплоемкость продуктов сгорания твердого топлива,
р
охл
С - теплоемкость продуктов разложения охладителя,
гидрореаг.сост
Т - верхняя граница диапазона рабочих температур гидрореагирующего состава, К;
О
Т - температура окружающей среды, К.
Газогенератор заявленной конструкции работает следующим образом. При подаче электрического сигнала срабатывает воспламенительное устройство (3), которое зажигает заряд твердого ракетного топлива (2). Часть продуктов сгорания заряда твердого топлива проходит через сопла (5) в герметичную емкость (4) с водным раствором пенообразователя с оптимальной температурой для вытеснения раствора, а другая часть поступает в камеру с охладителем (7), где происходит разложение охладителя.
Охлажденные продукты сгорания твердого топлива совместно с газообразными продуктами разложения охладителя истекают через кольцевое (11) и центральное (12) отверстия в форсуночное устройство (13), а далее в камеру с гидрореагирующим составом (14).
Работа такого газогенератора обеспечивает в устройстве пожаротушения, формирующего самовспенивающуюся струю, вытеснение водного раствора с пенообразователем и гранулированного гидрореагирующего состава в ствол. Гранулы гидрореагирующего состава переходят во взвешенное состояние, превращаясь в псевдожидкость, которая истекает через форсунку (15) в ствол (16), одновременно через форсунки (17) водный раствор с пенообразователем из герметичной емкости поступает в ствол (16), где происходит формирование самовспенивающейся струи.
Описанная конструкция газогенератора обеспечивает программируемое изменение давления в камере с зарядом твердого топлива, которое определяется конструкцией заряда твердого топлива и не зависит от изменения параметров во второй камере с охладителем. А за счет равномерного распределения газовых струй в герметичной камере с гранулированным гидрореагирующим составом обеспечивается равномерное вытеснение гранул без их коагуляции и сублимации.