ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЬ И РАЗБРЫЗГИВАТЕЛЬ ПЕНЫ
FOAMING AGENT AND FOAM SPRAYER

Данное изобретение относится к пенообразователю согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к разбрызгивателю пены согласно ограничительной части пункта 7 формулы изобретения.
Разбрызгиватели пены используются в основном в области борьбы с пожарами, так как с определенными пожарами, в частности с возгораниями жидкостей, можно эффективно бороться не водой, а только огнетушащей пеной.
Огнетушащая пена состоит по большей части из рабочего газа (например, воздуха), воды и пенообразующего средства. Вода и пенообразующее средство имеются в большинстве случае в виде жидкого водно–пенного концентрата, который при пожаре распределяется через несколько разбрызгивателей пены в зоне пожара. Для вспенивания водно–пенного концентрата жидкость пропускается, как это известно, через сито. Аналогично как при взбивании яичного белка в снежный лед венчиком, воздействие ситом вызывает пенообразование за счет добавления воздуха в водно–пенный концентрат. Соотношение между объемом созданной пены и объемом исходного водно–пенного концентрата называется "кратностью пенообразования". В зависимости от цели применения предпочтительны различные кратности пенообразования, они классифицируются следующим образом:
– пена низкой кратности с кратностью пенообразования ≤20,
– пена средней кратности с кратностью пенообразования≥20 до ≤200,
– пена высокой кратности с кратностью пенообразования ≥200.
Для тушения пожаров класса B (возгорания жидких или становящихся жидкими веществ) используется предпочтительно пена низкой кратности с кратностью пенообразования между 2 и 20.
В уровне техники представлены различные решения для совмещения разбрызгивателя с ситом для предоставления разбрызгивателя пены.
Как следует из патентной заявки JP 2016182225 A, сито может располагаться между выходным отверстием подвода разбрызгивателя и распылительной тарелкой. Недостатком этого разбрызгивателя пены является то, что водно–пенный концентрат сначала вспенивается ситом, и затем пена распределяется распылительной тарелкой. Из–за низкой плотности пены эффект распределения распылительной тарелки ограничен, причем пена ею тормозится и даже частично снова сжижается. Дальнейшим недостатком является то, что сито полностью охватывает выходное отверстие подвода. Как правило, разбрызгиватели снабжены запорным элементом, который при срабатывании выталкивается или выбрасывается. При представленном расположении запорный элемент застревает в сите и ухудшает тем самым прохождение и равномерное распределение пены.
В патентном описании DE 195 39 991 C1 представлен разбрызгиватель пены, причем сито расположено в направлении течения водно–пенного концентрата за распылительной тарелкой. Вспенивание происходит таким образом по большей части в открытом пространстве, после распределения водно–пенного концентрата распылительной тарелкой. Однако водно–пенный концентрат уже при попадании на распылительную тарелку частично предварительно вспенивается. В этом решении существует опасность перегрузки или засорения сита, так как водно–пенный концентрат и созданная пена проводятся лишь своим собственным импульсом через сито и имеют тенденцию к тому, чтобы застревать в нем. По этой причине в качестве сита использовался перфорированный лист с более крупными, круглыми отверстиями, который расположен дополнительно на значительном расстоянии от распылительной тарелки. Распылительная тарелка рассчитана в большинстве случае таким образом, что жидкость распределяется во всех направлениях, то есть также снова обратно вверх. Если таким образом используется такой общепринятый разбрызгиватель, то лишь примерно 60% распределенного распылительной тарелкой водно–пенного концентрата поступает через сито, и более крупные, круглые отверстия улучшают прохождение водно–пенного концентрата. Однако это приводит к меньшему количеству пены с более низкой средней кратностью пенообразования.
Для оптимизации пенообразования в области сита были предложены в патентной литературе различные решения. В JP 2016182225 A, US 5,820,027 и US 5,404,957 были представлены пенные сопла с двумя расположенными друг за другом ситами, причем пена может улучшаться каждым дополнительным ситом. Другие распространенные решения заключаются в том, чтобы выполнять сито конусообразным (см., например, FR 2575082 A1, US 2013/0037282 A1, WO 2008/050973) или снабжать его складками (см. DE 100 04 916 A1). Все эти существующие решения следуют одному и тому же подходу: Для оптимизации пенообразования используется большая поверхность просеивания, либо за счет увеличения поверхности одного сита, либо за счет применения нескольких сит.
Однако этот подход и представленные конкретные решения могут реализовываться у разбрызгивателей пены лишь с трудом. Одной причиной является то, что вспенивание происходит не в трубе, а в открытом пространстве, и водно–пенный концентрат практически не может проводиться через конусообразное, складчатое сито или даже несколько расположенных друг за другом сит и после этого распределяется все еще с достаточным усилием по большой площади. К этому добавляется общая длина разбрызгивателя пены, которая в идеале должна быть по возможности незначительной, чтобы, например, на складе уменьшалась та опасность, что разбрызгиватель выводится из действия штабелеукладчиком или высоко поднятым грузом.
Данное изобретение ставит перед собой теперь задачу улучшить пенообразователь и разбрызгиватель пены указанного вначале типа таким образом, что обеспечивается оптимальное пенообразование в большом диапазоне давлений и равномерное распределение пены по большой площади. Кроме того, пенообразователь должен быть легким, компактным и иметь возможность дооснащаться на существующие разбрызгиватели воды и экономично изготавливаться.
Эту задачу решает пенообразователь с признаками пункта 1 формулы изобретения и разбрызгиватель пены с признаками пункта 7 формулы изобретения. Дальнейшие признаки и примеры осуществления проистекают из зависимых пунктов формулы изобретения, и их преимущества разъяснены в последующем описании.
На чертеже показаны:
фиг. 1a–b – схематичные расположения сопла, распылительной тарелки и пенообразователя в разрезе;
фиг. 2a – разбрызгиватель пены в использовании с водой и характер распыления распыла;
фиг. 2b – разбрызгиватель пены в использовании с водно–пенным концентратом и характер распыления распыла;
фиг. 3a – перемычки с меньшей в направлении течения толщиной, чем ширина, перпендикулярная к направлению течения;
фиг. 3b – перемычки с большей в направлении течения толщиной, чем ширина, перпендикулярная к направлению течения;
фиг. 4a – деталь ромбовидного отверстия;
фиг. 4b – вариант осуществления пенообразователя на виде сверху;
фиг. 5a–d – возможные закрепления пенообразователя на разбрызгивателе сопла в разрезе;
фиг. 6a – вариант осуществления пенообразователя с резьбовым стержнем в разрезе;
фиг. 6b – вариант осуществления разбрызгивателя с пенообразователем и резьбовым стержнем;
фиг. 7a – вариант осуществления пенообразователя с откидной розеткой в разрезе; и
фиг. 7b – вариант осуществления разбрызгивателя с пенообразователем и откидной розеткой в разрезе.
Фигуры представляют собой возможные примеры осуществления, которые разъясняются в последующем описании.
Обычные разбрызгиватели воды состоят из сопла 3 и распылительной тарелки 2, которые соединены соединительными элементами 4. Распылительная тарелка 2 располагается на расстоянии от выходного отверстия сопла 3 в центральном соосном с продольной осью сопла 3 положении. Эта распылительная тарелка 2 служит для распределения жидкости, которая поступает из сопла 3, чтобы эта жидкость распределялась в окружающей среде разбрызгивателя пены наиболее равномерно и на большой площади.
Для предоставления разбрызгивателя пены существующие разбрызгиватели воды могут оснащаться соответствующим изобретению пенообразователем 1 (фиг. 1a). Пенообразователь 1 расположен в направлении течения водно–пенного концентрата за распылительной тарелкой 2, чтобы водно–пенный концентрат сначала распылительной тарелкой 2 нагружался, предварительно вспенивался и распределялся и затем вспенивался пенообразователем 1. В частности предпочтительно, если пенообразователь 1 имеет изогнутую в направлении сопла 3 форму и расположен таким образом, что пенообразователь 1 выступает в направлении сопла 3 за распылительную тарелку 2, и распределительная тарелка 2 находится таким образом "в пенообразователе 1". Дальнейший возможный вариант осуществления, причем пенообразователь 1 имеет посередине впадину, показан на фиг. 1b. Так как весь водно–пенный концентрат пропускается через пенообразователь 1, вне зависимости от направления, в котором он распределяется распылительной тарелкой 2, образуется максимальное количество пены с максимально одинаковой величиной пузыря. Эта конструкция с распылительной тарелкой 2 в пенообразователе 1 имеет помимо этого то преимущество, что она существенно компактнее, чем существующие устройства, так как на общую длину разбрызгивателя дополнительный пенообразователь 1 оказывает лишь незначительное влияние.
Для применений, при которых разбрызгиватель не требуется, например если срабатывание противопожарной установки происходит централизованно при помощи пожарного сигнала, пенообразователь 1 может, естественно, размещаться также непосредственно перед соплом 3. Это сопло 3 может быть также дополнительно оснащено еще распылительной тарелкой 2, для того чтобы адаптировать характер распыления распыла к необходимой области применения.
При срабатывании разбрызгивателя, как правило, запорный элемент сопла 3 откидывается пружиной вбок и выбрасывается. Чтобы этот запорный элемент не застревал в пенообразователе 1, должно сохраняться достаточное расстояние между краями пенообразователя 1 и выходным отверстием сопла 3. Застревание запорного элемента в пенообразователе 1 должно обязательно предотвращаться, так в противном случае этот запорный элемент ухудшил бы прохождение и равномерное распределение пены.
Пенообразователь 1 состоит из решетки с перемычками 11 и отверстиями 13 (см. фиг. 4b). Для использования с разбрызгивателем решетка состоит согласно предписаниям из металла, например из нержавеющей стали, латуни, алюминия или любого другого металла или металлического сплава. При других применениях в более низких температурных диапазонах решетка может также состоять из пластика или других достаточно устойчивых материалов.
Согласно изобретению пенообразователь 1 должен соответствовать двум существенным критериям. Во–первых, он должен как можно меньше ухудшать прохождение водно–пенного концентрата или пены, чтобы пена сохраняла высокую скорость, и не оказывалось влияния на характер распыления распыла. Во–вторых, пенообразователь 1 должен вне зависимости от рабочего давления обеспечивать наиболее хорошее и равномерное пенообразование.
Для того чтобы достигать хорошего прохождения, отверстия 13 пенообразователя 1 должны иметь достаточные размеры. Для данного изобретения предусмотрен минимальный диаметр более 1 мм, предпочтительно более 4 мм. Такие размеры предотвращают любую опасность перегрузки или засорения пенообразователя 1, даже и прежде всего при наиболее высоких расходах протекающей жидкости. Могут предоставляться разбрызгиватели пены с коэффициентом объемного протока (K) между K20 и K160 и даже K200.
Таким образом, при помощи предоставленных разбрызгивателей пены могут при том же давлении достигаться наиболее высокие расходы огнетушащего средства. Существующие, доступные на рынке разбрызгиватели пены имеют в настоящее время коэффициент K максимум K115. Благодаря более высокой мощности соответствующих изобретению разбрызгивателей пены может достигаться лучшее и более быстрое огнетушащее действие.
Так как представленный пенообразователь 1 ни оказывает влияния на характер распыления распыла разбрызгивателя, ни ухудшает его, при помощи одного и того же разбрызгивателя может разбрызгиваться как водно–пенный концентрат для создания пены 6, так и чистая вода 5 (фиг. 2a–b). Это имеет, например, преимущество для складских помещений, в которых происходит целевая переориентация, или даже поочередно хранятся различные материалы, чтобы спринклерная система пожаротушения могла в зависимости от хранящегося материала эксплуатироваться иной раз с огнетушащей пеной, а иной раз с водой. Так как характер распыления распыла не изменяется даже при дооснащении соответствующим изобретению пенообразователем, это имеет помимо этого то преимущество, что все расчеты, которые были уже произведены, являются и далее действительными и применимыми. Это может быть важно, если существующая спринклерная система пожаротушения, которая использовалась до этого с огнетушащим средством с фтором для лучшего распределения пены, теперь используется по–новому с пенообразователем, чтобы могло использоваться бесфтористое огнетушащее средство.
Для того чтобы достигать наиболее хорошего пенообразования, используется пенообразователь 1 предпочтительно со следующим свойствами.
Пенообразование происходит посредством добавления воздуха в водно–пенный концентрат. Для содействия этому добавлению является предпочтительным создавать в области пенообразователя 1 турбулентности в водно–пенном концентрате и увеличивать контактную поверхность между водно–пенным концентратом и воздухом.
Для создания турбулентного потока водно–пенного концентрата перемычки 11 решетки имеют вытянутое сечение, продольное направление B которого примерно перпендикулярно направлению A течения (фиг. 3a). Наиболее предпочтительно, если соотношение b/d ширина/толщина перемычек 11 больше 1, предпочтительно больше 1,4 (фиг. 3a). Это предотвращает возникновение ламинарного потока в области отверстий 13 и делает возможным образование турбулентностей за перемычками 11 между двумя соседними отверстиями 13. Если перемычки 11 шире 1 мм, предпочтительно шире 1,5 мм, то в области 7 за перемычками 11 находится воздух, который благодаря действию турбулентностей добавляется в водно–пенный концентрат и содействует вспениванию. Перемычки 11, которые в направлении A течения имеют большую толщину d и перпендикулярно B к направлению течения незначительную ширину b, не оптимальны для возникновения турбулентностей, так как в области 7 за перемычками 11 находится лишь малое количество воздуха, и потоки за отверстиями 13 могут встречаться без больших турбулентностей (фиг. 3b). Для того чтобы дополнительно содействовать возникновению турбулентностей, соответствующие изобретению перемычки 11 имеют предпочтительно острые, угловатые края 12. Острые, угловатые края 12 вызывают сильное отклонение жидкости от перемычек 11 и благоприятствуют возникновению турбулентностей и тем самым пенообразованию.
При протекании через пенообразователь 1 поток водно–пенного концентрата разделяется перемычками 11 на множество меньших отдельных потоков. На контактную поверхность между водно–пенным концентратом и воздухом может таким образом оказывать влияние количество перемычек 11 на решетке. Для повышения количества перемычек 11 на решетке форма отверстий 13 была оптимизирована таким образом, что решетка имеет при той же общей поверхности более высокую общую длину кромок. Согласно изобретению решетка имеет ромбовидные отверстия 13 с диагоналями x и y (фиг. 4a–b). Простые расчеты показывают, что при ромбовидных отверстиях 13 соотношение периметр/площадь отверстия 13 значительно больше, чем при круглых, четырехугольных или прямоугольных отверстиях. Решающим для оптимального действия пенообразователя 1 является соотношение длины диагоналей x/y ромбовидных отверстий 13. При слишком малом соотношении, например x/y=1, отверстия 13 четырехугольны, что уменьшает длину кромки. При слишком больших соотношениях, например x/y ˃ 5, диагональ b слишком коротка, и отверстие 13 слишком узко, что ухудшает прохождение водно–пенного концентрата или пены. Эксперименты показали, что оптимальные соотношения x/y находятся между 1,5 и 4, наиболее предпочтительно между 2 и 3. Здесь под понятием "ромбовидный" понимается также форма параллелограмма, то есть четырехугольник, который необязательно имеет четыре стороны одинаковой длины.
Возможный, наиболее эффективный вариант осуществления пенообразователя имеет решетку со следующими размерами: ширина b перемычек 11 примерно 1,0–1,5 мм, толщина d перемычек 11 примерно 0,5–1,0 мм, длина x отверстий 13 примерно 1,0–1,5 см и ширина y отверстий 13 примерно 3,0–7,0 мм, с b/d = 1,5 и x/y = 2,4.
Такая решетка может изготавливаться различными способами, например посредством пробивания и последующего изгибания металлического листа, посредством спекания или любого другого обычного способа изготовления. Наиболее эффективным оказалось использование имеющейся на рынке просечно–вытяжной сетки или просечно–вытяжного листа. У просечно–вытяжных сеток отверстия 13 изготавливаются без потери материала, и возникают также острые края 12. Кроме того, просечно–вытяжные сетки имеются в продаже во многих размерах и материалах и потому могут экономично приобретаться. При изгибании плоской просечно–вытяжной сетки или листа для формирования пенообразователя 1, как изображено на фиг. 1a–f и 4b, форма и размеры некоторых отверстий 13 могут немного отклоняться от идеального значения, в частности вокруг краев пенообразователя 1, где изгиб сильнее всего. Однако было обнаружено, что это не влияет на действие пенообразователя 1.
Благодаря оптимальной форме отверстий 13 и особому сечению перемычек 11 в решетке предоставляется пенообразователь 1, который, несмотря на большие отверстия 13, обеспечивает сильное пенообразование. Эксперименты показали, что при помощи такого пенообразователя 1 могут достигаться кратности пенообразования между 4 и 20. Благодаря большим отверстиям 13 на поток водно–пенного концентрата ни оказывается влияние, и он ни ухудшается, так что пена равномерно распределяется в окружающей среде, и пенообразователь 1 даже при высоких расходах протекающей жидкости не перегружается. Кроме того, было обнаружено, что пенообразование при помощи представленного пенообразователя 1 очень хорошо функционирует в широком диапазоне давлений и расходов протекающей жидкости. Были протестированы диапазоны давлений от 0,5 до 15 бар и расходы протекающей жидкости между 10 и 1000 литрами в минуту. Возможны также еще расходы протекающей жидкости до 10000 литров в минуту. Это наиболее предпочтительно для разбрызгивателей пены для борьбы с пожаром: При выбросе огня срабатывают в зависимости от требований только те разбрызгиватели пены, которые находятся рядом с огнем. Давление в линиях спринклерной системы пожаротушения таким образом очень высоко, как и расход протекающей жидкости у задействованных разбрызгивателей пены. Если огонь расходится, срабатывает все большее количество разбрызгивателей пены, так что давление в линиях и расход протекающей жидкости на разбрызгиватель пены уменьшаются. При помощи соответствующего изобретению пенообразователя 1 характер распыления распыла остается неизменным даже при больших изменениях этих величин, так что достигается оптимальное огнетушащее действие.
Соответствующий изобретению пенообразователь 1 также очень хорошо подходит для дооснащения существующего разбрызгивателя. Фиг. 5a по 5c показывают, как пенообразователь 1 может соединяться при помощи адаптеров 14 с разбрызгивателем. Адаптер 14 служит для правильного позиционирования и закрепления пенообразователя 1 на разбрызгивателе с очень низкими временными затратами. Важным в геометрии адаптера 14 является то, что характер распыления распыла при дооснащении существующего разбрызгивателя пенообразователем 1 не ухудшается, то есть соединения между пенообразователем и разбрызгивателем должны располагаться по возможности там, где уже существует тень разбрызгивания. Если пенообразователь 1 имеет посередине впадину, то глубина этой впадины может устанавливаться таким образом, что пенообразователь 1 может закрепляться без адаптера 14 непосредственно на распылительной тарелке 2 (фиг. 5d).
В предпочтительном варианте осуществления адаптер 14 состоит из вытянутого резьбового стержня 141, который расположен посередине пенообразователя 1 (фиг. 6a). Например, резьбовой стержень 14 выступает изнутри через центральное отверстие решетки и имеет гайку, которой пенообразователь закрепляется снаружи на нем. Распылительная тарелка 2 разбрызгивателя снабжена посередине резьбой, в которую может ввинчиваться резьбовой стержень 141. В смонтированном состоянии резьбовой стержень 141 расположен в направлении течения за распылительной тарелкой 2 (фиг. 5a). Фиг. 6b показывает вариант осуществления изобретения в смонтированном состоянии.
В другом возможном варианте осуществления адаптер 14 имеет откидную розетку 142 (фиг. 7a), которая закрепляется на проточке ниже гайки, которой разбрызгиватель был навинчен на трубу (фиг. 7b). Эта откидная розетка позволяет пенообразователь правильно позиционировать, хорошо закреплять и дооснащать с очень низкими временными затратами.
Дальнейшим возможным вариантом является закрепление пенообразователя на соединительных элементах, при помощи которых распылительная тарелка закреплена на разбрызгивателе (фиг. 5c). Это закрепление могло бы осуществляться, например, посредством зажимов или других подходящих средств.