УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО СОЗДАНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ГАЗОКАПЕЛЬНОГО ПОТОКА ВОДЫ В АТМОСФЕРЕ

Область техники.
3
3
3
Полезная модель относится к области высококонцентрированных распылителей воды, а именно к устройствам для импульсного создания высокодисперсного и быстро расширяющегося газокапельного потока воды в атмосфере в заданном направлении объемом до 106-107 м с переменной высокой концентрацией капель от 10 до 500 г/ми может быть использовано для аэрозольного пожаротушения, сдерживания огня или тушения больших более 104-107 м объемов пламени на особых объектах топливно-энергетического комплекса (ядерные реакторы, пиротехнические и химические предприятия и т.п.), а также при ликвидации крупномасштабных очагов возгорания лесных и степных массивов в труднодоступных местах, дымоподавления и мгновенного создания водных аэрозольных барьеров на пути распространения вредных газокапельных облаков и струй.
Уровень техники.
3
3
Известны устройства для аэрозольного объемного пожаротушения (генераторы огнетушащего аэрозоля), включающие пиротехнический аэрозолеобразующий заряд, узел инициирования и корпус с выходным устройством в виде кольцевого зазора для истечения аэрозоля в радиальных направлениях в плоскости, перпендикулярной оси генератора (Аэрозольное тушение // Пожарная безопасность. Энциклопедия. М: ФГУ ВНИИПО, 2007; патенты РФ 2087169, кл. А62С 13/00 и 2085236, кл. А62С 19/00, 1997). Эти устройства обеспечивают относительно быстрое и равномерное заполнение огнетушащим аэрозолем защищаемого объема. Однако созданные генераторы аэрозолей не позволяют создавать быстро в течение 1-2 с крупномасштабные, высокодисперсные аэрозольные облака и газокапельные потоки воды объемом до 106-107 м с высокой концентрацией аэрозольных частиц от 50 до 500 г/м и с начальной скоростью движения до 500 м/с (Фомин В.И. Краткий обзор развития автоматического пожаротушения // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2015. №1. С. 7-14; Агафонов В.В., Копылов В.В. Установки аэрозольного пожаротушения: Элементы, характеристики, монтаж и эксплуатация. М.: ВНИИПО. 1999). Это не позволяет осуществлять ликвидацию крупномасштабных очагов возгорания лесных и степных массивов в труднодоступных местах, дымоподавления и мгновенного создания водных аэрозольных барьеров на пути распространения вредных газокапельных облаков и струй.
3
3
Известно устройство для импульсного создания газокапельного потока воды, включающее гидродинамическую трубку, заполненную водой, пиротехническим заряд, расположенным на ее дне и установленный над трубкой отражатель газокапельного потока (Ишматов А.К., Развития дисперсий в облаке жидкокапельного аэрозоля, полученного взрывным способом. Ползуновский вестник. 2010. №3. С. 175). Время полного распыления жидкости не превышает 2 мс. Недостатком данного устройства является небольшой объем распыляемой жидкости. Это не позволяет создавать в течение 1-2 с крупномасштабные, высокодисперсные газокапельные потоки воды в атмосфере объемом до 106-107 м с высокой концентрацией капель от 50 до 500 г/м и с начальной скоростью движения до 500 м/с. В результате невозможно применять данное устройство для ликвидации крупномасштабных очагов возгорания лесных и степных массивов в труднодоступных местах, а также для дымоподавления и мгновенного создания водных аэрозольных барьеров на пути распространения вредных газокапельных облаков и струй.
3
3
Известно устройство для импульсного, ударно-волнового распыления сжатым воздухом жидкостей, включающее компрессионную камеру, цилиндрическую емкость с распыляемой жидкостью, объем которой ограничен мембранами и в которую через отверстия поступает воздух под давлением из компрессионной камеры. Сжатый воздух, проходя через объем жидкости, раскручивает и барботирует ее с образованием зародышей кавитации в виде сжатых под давлением микропузырьков (Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И., Шрагер Э.Р. Распыление жидкости при импульсном воздействии сжатым воздухом. Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322. №.2. С.167). Недостатком данного устройства является невозможность быстрого создания в течение 1-2 с крупномасштабных, высокодисперсных газокапельных потоков воды объемом до 106-107 м с высокой концентрацией капель от 50 до 500 г/м и с начальной скоростью движения до 500 м/с. Это исключает их использование при ликвидации крупномасштабных очагов возгорания лесных и степных массивов в труднодоступных местах, а также для дымоподавления и мгновенного создания водных аэрозольных барьеров на пути распространения вредных газокапельных облаков и струй.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере, включающее заполненную водой цилиндрическую емкость, закрытую верхней и нижней крышками, и с тонкой металлической оболочкой, разрушаемой энергией цилиндрического заряда взрывчатого вещества с инициатором его подрыва, установленного в центре и вдоль вертикальной оси симметрии цилиндрической емкости (Стебновский С.В., Импульсное диспергирование как предельный режим разрушения жидкого объема, Физика горения и взрыва, 2008, т. 44, №2, с. 117).
Недостатком данного устройства является создание центрально-симметричного газокапельного потока воды в атмосфере после подрыва цилиндрического заряда, а также неэффективное использование выделяющейся энергии взрывчатого вещества, вследствие отсутствия отражающих ударную волну пластин в цилиндрической емкости. Это приводит к замедлению скорости распространения газокапельного потока и к уменьшению эффективности аэродинамического дробления капель. В результате массовая и поверхностная доля мелких капель диаметром менее 50-100 мкм незначительна по сравнению с более крупными каплями.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является улучшение технических характеристик устройства для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере.
Раскрытие сущности полезной модели.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере путем создания параллельно расширяющегося по отношению к поверхности земли газокапельного потока капель воды в заданном направлении с большой до 500 м/с первоначальной скоростью и с одновременным увеличением в нем поверхностной и массовой доли более мелких капель воды по сравнению с параметрами капель согласно прототипу за счет более эффективного использования энергии взрывчатого вещества и его расположения.
Для достижения технического результата предложено устройство для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере, включающее заполненную водой и закрытую верхней и нижней крышками цилиндрическую емкость с тонкой и разрушаемой боковой металлической оболочкой, заряд взрывчатого вещества, установленный в цилиндрической емкости, при этом, на дне цилиндрической емкости размещена металлическая пластина для отражения ударной волны шарообразного заряда тротила, смещенного вдоль ее радиуса R от геометрического центра цилиндрической емкости на расстояние более 0,5R к разрушаемой боковой поверхности металлической оболочки, причем оптимальный объем шарообразного заряда тротила составляет 0,1-0,2% от объема воды в цилиндрической емкости.
В результате создания устройства для импульсного осуществления высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере, включающего заполненную водой и закрытую верхней и нижней крышками цилиндрическую емкость с тонкой и разрушаемой боковой металлической оболочкой, заряд взрывчатого вещества для ее разрушения и диспергирования воды, установленный в цилиндрической емкости, и в котором на дне цилиндрической емкости установлена металлическая пластина для отражения ударной волны шарообразного заряда тротила с объемом 0,1-0,2% от объема воды в цилиндрической емкости и смещенного вдоль ее радиуса R от геометрического центра цилиндрической емкости на расстояние более 0,5R к боковой поверхности металлической оболочки, достигается технический результат, связанный с расширением ее функциональных возможностей по сравнению с устройством по прототипу, путем создания расширяющего параллельно поверхности земли газокапельного потока воды в заданном направлении с первоначальной большой скоростью до 500 м/с с одновременным существенным увеличением в нем поверхностной и массовой доли более мелких капель диаметром менее 100 мкм по сравнению с параметрами капель в прототипе.
Размещение на дне цилиндрической емкости металлической пластины для отражения ударной волны при подрыве заряда тротила позволяет использовать выделяющуюся энергию на распыление воды более эффективно, по сравнению с прототипом, в котором эффект отражения ударной волны существенно меньше или отсутствует. Это приводит к увеличению скорости газокапельного потока и доли более мелких капель диаметром менее 100 мкм по сравнению с прототипом за счет эффекта кавитации и аэродинамического дробления фрагментов жидкости воздухом (Кедринский В.К. Газодинамика взрыва: эксперимент и модели. Новосибирск. СО РАН. 435 С.2000; Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М. Наука. 716 С. 1984).
Использование шарового заряда тротила в форме шара и его смещение в цилиндрической емкости вдоль ее радиуса R от геометрического центра цилиндрической емкости на расстояние более 0,5R позволяет осуществить кумулятивное разрушение ближайшей к заряду боковой поверхности металлической оболочки и последующий выброс жидкости с образованием горизонтального, направленного в заданном направлении параллельно поверхности земли высокодисперсного газокапельного потока воды с начальной скоростью до 500 м/с.
В прототипе создается центрально симметричное распыление воды и в результате ее газокапельный поток невозможно направить в заданном направлении для пролива заданного пространства и местности водой с образованием облака капель, например, для «удушения» очага возгорания за счет уменьшения доли кислорода менее 15% об.
Большая первоначальная скорость газокапельного потока в заданном направлении параллельно поверхности земли позволяет осуществлять механическое воздействие, например, на очаг пламени и сбивать его. В прототипе этот эффект существенно меньше, так как поток центрально-симметричный и его первоначальная скорость и масса в данном направлении существенно меньше, чем в потоке согласно заявляемой полезной модели.
Выбор шарообразного заряда тротила с объемом Q=0,1-0,2% от объема воды в цилиндрической емкости позволяет оптимизировать процесс ее распыления. При объеме тротила Q<0,1% не хватает энергии взрыва для оптимального выброса воды из емкости с последующим аэродинамическим дроблением ее фрагментов на мелкие капли, а при Q>0,2% нарушается направление газокапельного потока параллельно поверхности земли с его частичным вертикальным выбросом.
6
3
Таким образом, сравнение заявленного устройства для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере с прототипом показывает, что за счет использования шарового заряда тротила и его ассиметричного расположения в емкости, а также установки на нижней крышке пластины для отражения ударной волны удается создать крупномасштабный объемом более 10 м расширяющийся высокодисперсный газокапельный поток воды, направленный параллельно поверхности земли с большой скоростью до 500 м/с и существенно увеличить в этом потоке дисперсность капель путем увеличения поверхностной и массовой концентрации более мелких капель диаметром от 20 до 100 мкм по сравнению с потоком капель согласно прототипу.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере. На фиг. 2 приведены измеренные средние значения удельной поверхностной концентрации капель воды S от времени t, полученные в заявляемой устройстве (кривая 1) и согласно прототипу (кривая 2).
Устройство, показанное на фиг. 1 содержит следующие конструктивные элементы:
1 - верхняя крышка;
2 - ось симметрии цилиндрической емкости 8;
3 - распыляемая вода;
4 - разрушаемая тонкая боковая оболочка цилиндрической емкости 8;
5 - шаровой заряд тротила;
6 - нижняя крышка;
7 - металлическая пластина для отражения ударной волны заряда 5;
8 - цилиндрическая емкость;
9 - геометрический центр емкости 8 на оси 2 и на высоте Н;
10 - расширяющийся газокапельный поток воды после подрыва заряда 5;
11 - поверхность земляного грунта;
Н=L/2 - высота установки заряда 5 в емкости 8;
L - высота емкости 8;
R - радиус емкости 8;
D>0,5 R - расстояние смещения заряда 5 от его центра к оболочке 4 вдоль радиуса R от центра 9 емкости 8 перпендикулярно оси 2;
Z - длина газокапельного потока 10.
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере. Устройство содержит заполненную водой 3 и закрытую верхней 1 и нижней 6 крышками цилиндрическую емкость 8 с тонкой и разрушаемой боковой металлической оболочкой 4, шаровой заряд тротила 5 для ее разрушения, смещенный вдоль ее радиуса R от геометрического центра 9 цилиндрической емкости 8 на расстояние от оси 2 до центра шарового заряда D>0,5R в сторону боковой поверхности металлической оболочки 4. Оптимальный объем шарообразного заряда тротила 5 составляет 0,1-0,2% от объема воды в цилиндрической емкости 8. На ее дне размещена металлическая пластина 7 для отражения ударной волны шарообразного заряда тротила 5.
Устройство работает следующим образом. На подвесе (на фиг. 1 не показан) устанавливается на высоте Н=L/2 заряд 5 со смещением D>0,5R от вертикальной оси симметрии 2 по радиусу R к оболочке 4 в сторону создания газокапельного потока воды. С помощью насоса (на фиг. 1 не показан) вода закачивается в цилиндрическую емкость 8 высотой L. Электродетонатором осуществляется подрыв тротилового заряда 5 с образованием расширяющегося газокапельного потока воды 10 в заданном направлении параллельно поверхности земли 11.
Размещение на дне цилиндрической емкости 8 металлической пластины 7 для отражения ударной волны при подрыве заряда тротила позволяет использовать выделяющуюся энергию на распыление воды более эффективно, по сравнению с прототипом, в котором эффект отражения ударной волны существенно меньше или отсутствует. Это приводит к увеличению скорости газокапельного потока и увеличению доли более мелких капель диаметром менее 100 мкм по сравнению с прототипом за счет эффекта кавитации и аэродинамического дробления фрагментов жидкости воздухом (Кедринский B.К. Газодинамика взрыва: эксперимент и модели. Новосибирск. СО РАН. 435 C. 2000; Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М. Наука. 716 С. 1984).
Использование шарового заряда тротила в форме шара 5 и его смещение в цилиндрической емкости 8 вдоль ее радиуса R от геометрического центра цилиндрической емкости на расстояние D>0,5R позволяет осуществить кумулятивное разрушение ближайшей к заряду боковой поверхности металлической оболочки 4 и последующий выброс жидкости с образованием горизонтального, направленного в заданном направлении параллельно поверхности земли 11 высокодисперсного газокапельного потока воды 10 длиной Z с начальной скоростью до 500 м/с.
В прототипе создается центрально симметричное распыление воды и в результате ее газокапельный поток невозможно направить в заданном направлении для пролива заданного пространства и местности водой с образованием облака капель, например, для «удушения» очага возгорания за счет уменьшения доли кислорода менее 15% об.
Большая первоначальная скорость газокапельного потока 10 в заданном направлении параллельно поверхности земли позволяет осуществлять механическое воздействие, например, на очаг пламени и сбивать его. В прототипе этот эффект существенно меньше, так как поток центрально-симметричный и его первоначальная скорость и масса в данном направлении существенно меньше, чем в потоке согласно заявляемой полезной модели.
Выбор шарообразного заряда тротила 5 с объемом Q=0,1-0,2% от объема воды в цилиндрической емкости позволяет оптимизировать процесс ее распыления. При объеме тротила Q<0,1% не хватает энергии взрыва для оптимального выброса воды из емкости с последующим аэродинамическим дроблением ее фрагментов на мелкие капли, а при Q>0,2% нарушается направление газокапельного потока параллельно поверхности земли с его частичным вертикальным выбросом.
В результате создания устройства для импульсного осуществления высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере, включающего заполненную водой и закрытую верхней и нижней крышками цилиндрическую емкость с тонкой и разрушаемой боковой металлической оболочкой, заряд взрывчатого вещества для ее разрушения и диспергирования воды, установленный в цилиндрической емкости, и в котором на дне цилиндрической емкости установлена металлическая пластина для отражения ударной волны шарообразного заряда тротила с объемом 0,1-0,2% от объема воды в цилиндрической емкости и смещенного вдоль ее радиуса R от геометрического центра цилиндрической емкости на расстояние более 0,5R к боковой поверхности металлической оболочки, достигается технический результат, связанный с расширением ее функциональных возможностей по сравнению с устройством по прототипу, путем создания расширяющего параллельно поверхности земли газокапельного потока воды в заданном направлении с первоначальной большой скоростью до 500 м/с с одновременным существенным увеличением в нем поверхностной и массовой доли более мелких капель диаметром менее 100 мкм по сравнению с параметрами капель в прототипе.
Попадая на горящую поверхность вещества или в зону горения, распыленная вода нагревается и, интенсивно испаряясь, отбирает тепло из зоны реакции и тем самым понижает температуру горящего вещества, что и обеспечивает прекращение процесса горения. Прекращению горения способствует также разбавление концентрации горючих газов или паров образующимся водяным паром, так как объем паров в 1700 раз превышает объем испарившейся воды. Кроме того, водой в виде струй механически сбивается пламя.
Пример.
3
3
Проведены эксперименты по созданию горизонтального, параллельного поверхности земли и расширяющегося с первоначальной скоростью до 500 м/с в заданном направлении газокапельного потока воды 10 в виде затопленной струи при подрыве шарового заряда 5, расположенного в цилиндрической емкости с R≈1,7 м, длиной L≈5,7 м и объемом 50 м с массой воды около 48-49 тонн. Объем шарового заряда тротила составлял около 0,06 м. Величина смещения D≈0,6-0,65R≈1,1 м. Толщина стальной плиты 7 была равна 0,04 м.
Первоначальная скорость распространения газокапельного потока варьировалась от 400 до 500 м/с на расстоянии 10-20 м от оси 2 цилиндрической емкости 8. Его начальная скорость определялась лазерным анализатором (Загнитъко А.В., Мацуков И.Д., Федин Д.Ю., Велъмакин С.М. Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков // Приборы и техника эксперимента. 2019. №4. С. 158-160).
3
3
2
3
В процессе распространения параллельно поверхности земли, расширяющегося газокапельного потока капель длиной Z≈100-120 м, высотой 40-60 м и объемом до (2-3)х105 мза временной интервал 1-1,5 с на землю выпало более 10-15 тонн крупных капель воды диаметром более 500 мкм. Остальные 35-40 тонн воды в виде капель и паров образовали турбулентное облако высокодисперсных капель и паров над местностью в заданном земляном районе 11. Их массовая концентрация варьировалась во времени и по объему от 50 до 500 г/м. Измеренная лазерным анализатором капель площадь удельной поверхности высокодисперсных капель воды диаметром от 20 до 500 мкм была равна S<10 м/м. Величина S измерялась лазерным анализатором капель (Загнитъко А.В., Зарецкий Н.П., Каникевич А.В и др., Быстродействующий лазерный анализатор поверхностной концентрации мелких и крупных капель в аэрозольном потоке, Приборы и техника эксперимента, 2019, №5, с. 150).
На фиг. 2 приведены измеренные средние значения удельной поверхностной концентрации капель воды S от времени t, полученные в заявляемой устройстве (кривая 1) и согласно прототипу (кривая 2). Распыление воды осуществлялось с подрывом одинаковых по массе зарядов тротила в заявленном устройстве и в прототипе. Ее объемы и размеры бочек совпадали в проведенных экспериментах. Значения S усреднены по объему облаков. Из анализа данных фиг. 2 следует, что поверхность капель в заявленном устройстве больше в 3-5 раз величины S согласно прототипу за счет более эффективного использования энергии заряда и увеличения доли более мелких капель.
3
Заявляемая полезная модель была использован при моделировании крупномасштабных пожаровзрывоопасных аварий на предприятиях топливно-энергетического комплекса в степных массивах путем импульсного создания газокапельных потоков воды, параллельно поверхности земли в заданном направлении объемом до 107 м и массой 150-200 тонн. Время его образования с начальной скоростью 400-600 м/с составляло ≈1-1,5 с. В результате была пролита водой местность в количестве более 10-15 тонн в заданном направлении и создано облако из смеси паров и капель воды высотой до 30 м и массой около 35-40 тонн над очагом возгорания для уменьшения концентрации кислорода менее 15% об. Наблюдалось испарение капель, их турбулентная коагуляции и седиментация, а также рассеивание облака турбулентными потоками атмосферного воздуха. В результате очаг возгорания был ликвидирован за временной интервал менее 5-10 с.
6
3
Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для импульсного создания высокодисперсного газокапельного потока воды в атмосфере с прототипом показывает, что за счет использования шарового заряда тротила и его ассиметричного расположения в емкости 8, а также установки на нижней крышке 6 пластины 7 для отражения ударной волны удается создать крупномасштабный объемом более 10 м расширяющийся высокодисперсный газокапельный поток воды, направленный параллельно поверхности земли и существенно увеличить в этом потоке дисперсность капель путем увеличения поверхностной и массовой концентрации более мелких капель диаметром от 20 до 100 мкм по сравнению с потоком капель в прототипе. В прототипе создаются более крупные капли с образованием центрально-симметричного потока вокруг цилиндрической емкости с меньшей поверхностной концентрацией, что уменьшает эффективность и скорость тушения очага возгорания. Кроме того, в прототипе не удается непосредственно направить весь газокапельный поток воды в труднодоступные место для ликвидации очага возгорания.