ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОКРАТНОЙ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ ПЕНЫ

Полезная модель относится к противопожарной технике, в частности, к пенным средствам тушения пожаров.
Известны генераторы для получения пены SU №№590461, 1146468, 1158204, 1245317, 1296182, 1330328, 1755812, RU №№17434, 20459, 40594,, 2121869, 2170123, 2165276, 2192546, 2242260, 2246977, 2283676, 2294783, 2297260, 2004132141, US №№3428131, 3607779, 3780812, 4805700, 5404957, 5417371, 5820027, 5848752, 7207501, DE №№1278843, 19539991, FR №№2575082, 2705901, GB №№1344417, SE №501805, JP №№2001-299950, 2002-136617, СN №2865767.
Известные генераторы для получения пены средней и высокой кратности, состоят в основном из: распылителей, сетки, устройства регулирующего расстояние от распылителей до сетки и устройства подачи воздуха.
Известна конструкция устройства для подачи пены различной кратности (SU 1245319, 1986 г.). Основным недостатком данного устройства является низкая производительность по пене.
Модель генератора с принудительным наддувом воздуха вентилятором (патент US 3428131, 1969 г.) позволяет получить пену высокой кратности. Однако при вращении лопастей вентилятора происходят существенные потери напора, а гидравлические приспособления, предназначенные для вращения лопастей вентилятора, не могут работать при низких температурах, что снижает надежность.
Известны устройства, позволяющие получить пену высокой кратности и без принудительного наддува воздуха. Так в конструкции генератора высокократной пены (RU 2246977, 2005 г.) для снижения гидравлического сопротивления, увеличивается суммарная поверхность сеток. Несмотря на то, что за счет увеличения площади сеток и достигается дополнительная эффективность, этого все равно не достаточно, чтобы снизить гидравлическое сопротивление.
Ближайшим из обнаруженных аналогов, принятым за прототип, где заметно снижено гидравлическое сопротивление, является генератор высокократной пены (SE 501805, 1995 г.). Данный генератор содержит распылители водного раствора, расположенные с одной стороны металлического корпуса, с противоположной стороны которого установлена перфорированная стенка (перфорированный лист) из тонких металлических пластин с отверстиями 2-4 мм. Перфорированная стенка полностью перекрывает выход из корпуса генератора, так что весь раствор и воздух
проходят через отверстия в перфорированном металлическом листе, поэтому имеются ограничения по рабочему давлению генератора и его производительности.
Известные генераторы пены производят пену практически одной дисперсности, т.е. размеры пузырьков мало отличаются друг от друга. Монодисперсная, т.е. однородная по размерам пенных пузырьков 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, а накапливается в месте падения, препятствуя в дальнейшем растеканию пены и равномерному заполнению пеной защищаемого от пожара помещения. Поэтому основной недостаток конструкции известных генераторов обусловлен свойствами производимой ими пены. Кроме того, известных генераторов достаточно небольшая (от 2 до 4 метров) дальность подачи струи высокократной пены. Эффективность применения существующих генераторов пены высокой кратности затруднено, так как существует ограничение по величине рабочего давления водного раствора на входе в генератор. Рабочее давление генераторов пены не превышает 7-8 бар. В практике величина давления раствора может колебаться от 5 до 10 бар, поэтому необходимо использовать регуляторы давления раствора, в противном случае произойдет срыв процесса образования пены.
Технической задачей полезной модели по всем вариантам, связанным единым творческим замыслом, является создание вариантов эффективного генератора высокократной полидисперсной пены, а также расширение арсенала генераторов высокократной полидисперсной пены.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в повышении надежности и производительности, увеличении дальности подачи струи более 8 м, обеспечение стабильности процесса пенообразования при гидравлических колебаниях в водопроводной сети и устойчивости работы в широком диапазоне давления.
2
1
0
Сущность полезной модели по первому варианту состоит в том, что генератор высокократной полидисперсной пены содержит распылители водного раствора, расположенные с одной стороны металлического корпуса, с противоположной стороны которого установлена перфорированная стенка, причем перфорированная стенка выполнена с, по меньшей мере, одним окном для свободного выхода воздуха и распыленного водного раствора, при этом площадь проходного сечения окна выбирается из соотношения: S=α·n·πd (S/S), где: S - площадь проходного
2
2
1
0
сечения окна; м; S - общая площадь перфорированной поверхности, м; S - площадь сечения корпуса генератора, м; α - коэффициент формы поверхности перфорированной стенки, d - средний диаметр пенных пузырьков, м.; n - количество перфорирующих отверстий,
0
В частных случаях исполнения перфорированная стенка может быть выполнена с одним окном, расположенным в центре перфорированной поверхности стенки или перфорированная стенка выполнена с несколькими окнами, причем площадь проходного сечения окна (окон) S выбирается в пределах (0,1-0,4)S. В частных случаях исполнения перфорированная стенка выполнена в форме полой усеченной пирамиды, состоящей из перфорированных пластин или перфорированная стенка выполнена в форме полой призмы, состоящей из перфорированных пластин.
Сущность полезной модели по второму варианту состоит в том, что генератор высокократной полидисперсной пены содержит распылители водного раствора, обращенные к перфорированной стенке корпуса, при этом перфорированная стенка выполнена с, по меньшей мере, одним окном для выхода воздуха, а распылители установлены в параллельных плоскостях, причем количество распылителей в каждой промежуточной плоскости равно половине количества распылителей в предыдущей плоскости и удвоенному количеству распылителей в последующей плоскости по направлению движения струи.
Предпочтительно распылители установлены в трех параллельных плоскостях в количествах: четыре, два и один по направлению движения пены, а перфорированная стенка выполнена ступенчатой из нескольких перфорированных пластин.
Сущность полезной модели по третьему варианту состоит в том, что генератор высокократной полидисперсной пены содержит распылители водного раствора, расположенные с одной стороны металлического корпуса, с противоположной стороны которого установлена перфорированная стенка, при этом перфорированная стенка выполнена с, по меньшей мере, одним окном для выхода воздуха, снабженным подвижной заслонкой, установленной с возможностью поворота под воздействием струи.
Предпочтительно заслонка имеет приспособление, препятствующее самопроизвольному открыванию заслонки, а перфорированная стенка выполнена ступенчатой из нескольких перфорированных пластин с несколькими попарно размещенными окнами для выхода воздуха, каждое из которых снабжено заслонкой.
На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема генератора высокократной полидисперсной пены, перфорированная стенка которого выполнена в форме полой призмы, на фиг.2 - конструктивная схема генератора высокократной полидисперсной пены, перфорированная стенка которого выполнена в форме полой усеченной пирамиды, на фиг.3 - конструктивная схема генератора высокократной полидисперсной пены с распылителями в нескольких плоскостях, на фиг.4 - конструктивная схема генератора высокократной полидисперсной пены с окнами снабженными заслонками.
Генератор высокократной полидисперсной пены содержит распылители 1 водного раствора, расположенные с одной стороны металлического корпуса 2, с противоположной стороны которого установлена перфорированная стенка (диспергатор). Перфорированная стенка на фиг.1 выполнена в форме полой призмы из перфорированных пластин 3 с несколькими окнами 4 для свободного выхода воздуха и распыленного водного раствора. (Призмой называется многогранник, который состоит из двух плоских многоугольников, лежащих в разных плоскостях и совмещаемых параллельным переносом, и всех отрезков, соединяющих соответствующие точки этих многоугольников.) Перфорированная стенка на фиг.2 выполнена в форме полой усеченной пирамиды из перфорированных пластин 3 с окном 4 в центре в меньшем основании пирамиды для свободного выхода воздуха и распыленного водного раствора.
В любом варианте исполнения окна 4 (окон 4) площадь проходного сечения окна 4 (окон 4) выбирается из соотношения:
2
2
1
o
0
где: S - площадь проходного сечения окна 4 (окон 4); м; S - общая площадь перфорированной поверхности пластин 3 перфорированной стенки, м; S - площадь сечения корпуса 2 генератора, м; α - коэффициент формы поверхности перфорированной стенки, d - средний диаметр пенных пузырьков, м; n - количество перфорирующих отверстий (не обозначены) пластин 3. Площадь S проходного сечения окна 4 (окон 4) выбирается в пределах (0,1-0,4)S.
Генератор высокократной полидисперсной пены по фиг.3 содержит распылители 1 водного раствора, обращенные к перфорированной стенке корпуса 2. Перфорированная стенка выполнена с, по меньшей мере, одним окном 4 для выхода воздуха, а распылители 1 установлены в параллельных плоскостях. Количество распылителей 1 в каждой промежуточной плоскости равно половине количества распылителей 1 в предыдущей плоскости и удвоенному количеству распылителей 1
в последующей плоскости по направлению движения струи.
Распылители 1 установлены в трех параллельных плоскостях в количествах: четыре, два и один по направлению движения пены, а перфорированная стенка выполнена ступенчатой из нескольких перфорированных пластин 3.
Генератор высокократной полидисперсной пены по фиг.4 содержит распылители (не изображены) водного раствора, расположенные с одной стороны металлического корпуса 2, с противоположной стороны которого установлена перфорированная стенка (диспергатор). Перфорированная стенка выполнена ступенчатой (ломанной) из нескольких перфорированных пластин 3 с несколькими попарно размещенными окнами 4 для выхода воздуха, каждое из которых снабжено подвижной заслонкой 6, установленной с возможностью поворота под воздействием струи.
Предпочтительно каждая заслонка 6 имеет приспособление, препятствующее самопроизвольному открыванию заслонки 6, например, в виде пружины (не изображено).
По всем вариантам полезной модели предусмотрена конструкция «проточного» генератора которая позволяет получать полидисперсную пену, состоящую из двух фракций пузырьков сильно отличающихся между собой. Структура пены включает чередующиеся монодисперсные участки, периодически разделяющиеся между собой большими пузырями воздуха.
Перфорированная металлическая поверхность пластин 3, ограничивающая выход из генератора, содержит сквозное окно 4, площадь которого в 10-30 раз больше диаметра отверстий перфорированного металлических пластин 3. Перфорированная поверхность, через которую проходит воздух, не перекрывает все сечение металлического корпуса 2 и оставляет часть поверхности (окно 4) открытой для свободного прохода воздуха и распыленного водного раствора. При этом доля проходного сечения окна 4, зависит от размера и количества перфорирующих отверстий в перфорированной стенке, эффективной поверхности пластин 3 перфорированной стенки, наклона участка (пластины 3) перфорированной стенки.
Генератор высокократной полидисперсной пены работает следующим образом. Поток распыленного раствора и воздуха от распылителей 1 одновременно поступает через корпус 2 к перфорированной поверхности пластин 3 и к окну 4. В первый момент «работает» окно 4, поскольку оно имеет пониженное гидравлическое сопротивление, и на выходе генератора появляется аэрозоль и пена низкой кратности. Одновременно, на отверстиях перфорированной поверхности пластин 3,
образуется монодисперсная пена, которая, сливаясь между собой, перекрывает окно 4. В этот момент движение воздуха через окно 4 прекращается. По мере роста толщины пенного слоя сопротивление перфорированной поверхности пластин 3 становится большим, чем на открытом участке окна 4, поэтому воздух, в виде больших включений, поступает в монодисперсную пену. В результате часть смеси раствора с воздухом проходит мимо перфорированных пластин 3 и попадает непосредственно в пену.
Этот процесс периодически повторяется, поэтому структура пены включает участки монодисперсной пены, которые разделены большими пузырями воздуха.
Сплошной поток пены периодически разделяется между собой большими пузырями воздуха. В результате, нарушается структурное единство пены, т.е. образуется полидисперсная пена. Порции монодисперсной пены отделяются друг от друга крупными включениями воздуха, поэтому сдвиговая прочность и вязкость пены резко снижаются. В результате пена легко растекается и равномерно заполняет объем защищаемого помещения.
В зависимости от назначения и производительности по пене генераторы могут иметь различную форму перфорированной стенки, окон 4 и различную площадь перфорированных пластин 3.
Результаты сравнительных испытаний конструкции генератора (фиг.1,2) с прототипом по производительности представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Давление, бар
Расход раствора, л/мин
Генераторы пены
Относительная эффективность предлагаемой конструкции генератора
Предлагаемая конструкция
Устройство-прототип
Производительность по пене, м/с
5
82
55
52
1,05
6
90
64
60
1,07
7
97
75
59
1,27
8
104
86
55
1,56
В конструкции генератора по фиг.3 предусмотрены многоуровневые, последовательно установленные распылители 1, выполняющие также функцию эжекторов воздуха. Количество распылителей 1 определяется производительностью генератора по водному раствору. Система распылителей 1 подбирается таким образом, чтобы в последующей плоскости по направлению движения струи работало вдвое меньшее количество распылителей 1 (например, 4-2-1). Последний распылитель 1 устанавливается на срезе вершины.
Результаты сравнительных испытаний предлагаемой конструкции генератора (фиг.3) с прототипом по величине предельного давления представлены в таблице 2.
Таблица 2
Давление бар
Расход раствора, л/мин
Генераторы пены
Относительная эффективность предлагаемой конструкции генератора
Предлагаемая конструкция
Устройство- прототип
Дальность пенной струи, м
5
79
3
2
1,5
6
91
3,5
2,5
1,4
7
95
4
3
1,3
8
108
6
4,5
1,3
9
112
7
Срыв пенообразования
7
10
119
8,5
Срыв пенообразования
8,5
В конструкции генератора по фиг.4 предусмотрены подвижные заслонки 5 окон 4. Положение заслонки 5 определяется давлением распыленной струи. Чем выше давление струи, тем больше давление эжектируемого воздуха, тем больше открывается подвижная заслонка 5. Таким образом, сохраняется рабочее давление на поверхности перфорированной пластины 3 и обеспечивается возможность стабильного образования пены.
Результаты сравнительных испытаний предлагаемой конструкции генератора (фиг.4) с прототипом по величине предельного давления и кратности представлены в таблице 3.
Таблица 3
Давление бар
Расход раствора, л/мин
Генераторы пены
Относительная эффективность предлагаемой конструкции генератора
Предлагаемая конструкция
Устройство- прототип
Кратность пены
5
80
670
635
1,05
6
90
710
665
1,06
7
95
775
605
1,28
8
105
825
525
1,57
9
115
810
Срыв пенообразования
10
120
790
12
125
670
13
132
Срыв пенообразования
В результате экспериментальной проверки установлено повышение эффективности и стабильности и надежности устойчивой работы (без срыва пенообразования), увеличения дальности подачи струи.
Таким образом, созданы варианты эффективного генератора высокократной полидисперсной пены, а также расширен арсенал генераторов высокократной полидисперсной пены.
При этом повышены надежность (исключены срывы при нормальном уровне давления) и производительность, увеличена дальность подачи струи более 8 м, обеспечена стабильность процесса пенообразования при гидравлических колебаниях в водопроводной сети и устойчивость работы в широком диапазоне давления.