УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДОГРЕВА НАСОСА ПОЖАРНОЙ МАШИНЫ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ

Предполагаемая полезная модель относится к противопожарной технике, в частности к техническим средствам для предотвращения обледенения и замерзания магистральных пожарных напорных рукавных линий.
Работникам пожарной охраны известны случаи замерзания воды в рукавных линиях при тушении пожара. Происходит это потому, что вода, подаваемая по рукавной линии, отдает теплоту в окружающее пространство. Количество теряемой теплоты пропорционально разности температур воды и окружающего воздуха и возрастает с уменьшением скорости движения воды. Таким образом, по мере движения воды по рукавной линии температура ее понижается. При этом исследованиями установлено, что увеличение температуры воды на каждые 0,1°C позволяет увеличить длину магистральной пожарной напорной рукавной линии на 50 метров [см. Алешков М.В. Повышение работоспособности напорных рукавных линий при тушении пожаров в условиях низких температур. Дисс. канд. техн. наук - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990. - 293 с].
Известны и технические возможности уменьшить интенсивность образования льда в рукавах, увеличить длину магистральной пожарной напорной рукавной линии посредством подогрева воды, например, непосредственно насосом. Это связано с относительно низким КПД центробежных пожарных насосов. Так, величина КПД центробежного пожарного насоса марки НЦПН-40/100 изменяется от 60% - при номинальной подаче до нуля при отсутствии подачи воды [см. Справочное пособие водителя пожарного автомобиля. - М.: ВНИИПО МВД России. 1997. - 126 с]. Таким образом, работающий центробежный насос нагревается.
Степень нагрева воды в насосе, как это установлено испытаниями [см. Шебеко Н. О работе насосов при низких температурах / Пожарное дело. 1960. - №10, 24-25 с], зависит от количества воды, подаваемой насосом в рукавную линию, напора, развиваемого насосом, температуры воздуха, а также от интенсивности рассеивания теплоты от его наружных поверхностей в окружающую среду и колеблется в пределах от 0,4 до 1,3°C [См. Исследование возможности повышения температуры воды в насосе путем ее дросселирования. Отчет НИР (заключ.) / ВНИИПО МВД СССР - М.: 1959. - 63 с].
Известно также, что для уменьшения диссипации теплоты от наружных поверхностей пожарного насоса в окружающий холодный воздух нормативные документы [см. Рекомендации по практической работе со специальными агрегатами пожарных автомобилей. - М.: ВНИИПО МВД России. 1994. - 54 с] обязывают водителя после установки соответствующего режима работы насоса, закрыть дверь насосного отсека и наблюдать за показанием контрольно-измерительных приборов через окно в указанной двери.
В условиях низких температур, обогрев насосного отсека пожарной автомобиля, кроме того, осуществляется теплотой отработавших газов двигателя внутреннего сгорания базового шасси, посредством удлиненной выхлопной трубы и специального радиатора отопления смонтированного в насосном отсеке непосредственно под насосом пожарного автомобиля [см. Автоцистерна пожарная АЦ-4,0 - 40 (4331) модель 8 BP. Руководство по эксплуатации. - Варгаши: 1999. - 19 с]. В целом ряде конструкций радиатор отопления насоса пожарного автомобиля совмещают с днищем насосного отсека.
Недостатком такого технического решения является весьма низкий КПД подогрева насоса, поскольку между радиатором отопления и насосом отсутствует непосредственный механический контакт - зазор составляет до 150 мм.
Известно другое техническое решение по подогреву насоса пожарного автомобиля. Особенностью данного технического решения [см. Пожарная автоцистерна АЦ-6,0 - 40/4 (53211) модель 1-ДД. Инструкция по эксплуатации. ОАО «Давыдово». 1997.- 34 с] является то, что в корпусе пожарного насоса (тип НХ-30, изготовитель - австрийская фирма ROSENBAUER), имеется полость - рубашка обогрева, в которой циркулирует жидкость из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания базового шасси пожарного автомобиля. В 40-50 годах прошлого века подобная конструкция корпуса применялась также и в отечественных пожарных насосах марки Д-20 [см. Волков И.С. Машины и аппараты пожаротушения. - М-Л.: Издательство Минкомхоза РСФСР. 1948. - 432 с].
Недостатком данного технического решения являются наличие дополнительных коммуникаций и увеличение объема, а, следовательно, и теплоемкости охлаждающей жидкости двигателя базового шасси. Это удлиняет послепусковой прогрев силового агрегата на ходу пожарного автомобиля и, тем самым, ухудшает динамические характеристики пожарного автомобиля, т.е. увеличивается время его следования к месту вызова, что, в конечном счете, приводит к возрастанию количества жертв и материальных убытков от пожаров или других ЧС.
Известно техническое решение по подогреву насоса пожарного автомобиля. Особенностью данного технического решения [см. Патент 23721123 РФ, МКИ A62C 27/00 (2006.01). A62C 33/00 (2006.01). Способ подогрева насоса пожарной машины для низкотемпературных условий / Савин М.А. и др. - №2008108593; Заявлено 04.03.08; Опубл. 10.11.2009. Бюл. №31] является то, что в корпусе насоса пожарного автомобиля имеется полость - рубашка подогрева, куда подают отработавшие газы двигателя.
Однако поскольку насосный отсек часто располагается в задней части пожарного автомобиля, то эффективность подогрева спецагрегата отработавшими газами двигателя существенно уменьшается, т.к. при движении по выпускному трубопроводу они быстро охлаждаются. Кроме того, в случае негерметичности соединений может иметь место утечка отработавших газов в насосный отсек пожарного автомобиля, что существенно ухудшает экологию рабочей зоны оператора пожарного насоса - водителя пожарного автомобиля. Таковы основные недостатки такого технического решения.
Задачей полезной модели является обеспечение усиленного подогрева огнетушащей жидкости, находящейся в пожарном центробежном насосе не только теплотой, выделяющейся при работе насоса, но также теплотой сжатого воздуха, нагретого в специальном теплогенерирующем устройстве для предотвращения обледенения и замерзания воды в магистральных напорных рукавных линиях в зимних условиях при сохранении динамических характеристик пожарного автомобиля и обеспечения экологической безопасности его водителя.
Для решения этой задачи сопутствующий, в течение всего периода пожаротушения, дополнительный подогрев огнетушащей жидкости предлагается производить путем подачи непосредственно в специальную подогревательную рубашку корпуса пожарного насоса не охлаждающей жидкости или отработавших газов двигателя базового шасси пожарного автомобиля, а сухого горячего воздуха от теплогенерирующего устройства для максимального нагрева собственно пожарного насоса и последующей передачи теплоты потоку огнетушащей жидкости. При этом обеспечивается увеличения длины магистральных пожарных напорных рукавных линий. Необходимое количество сжатого воздуха отбирают от компрессора пневматической тормозной системы базового шасси пожарного автомобиля либо от автономного компрессора, например винтового типа.
Задача решается тем, что корпус и всасывающий патрубок пожарного насоса, предназначенного для эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха, на заводе изготавливают с заранее предусмотренными каналами рубашек подогрева, а к концу специального трубопровода сжатого воздуха от пневматической тормозной системы базового шасси пожарного автомобиля либо автономного компрессора через запорную арматуру подключают пожаро- и взрывобезопасное теплогенерирующее устройство в виде вихревой трубы Ранка-Хильша (Потапов Ю.С., Фоминский Л.П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения. - Кишинев-Черкассы: «Око-Плюс», 2000. - 387 с). Предлагаемое вихревое устройство отличается:
- высокой скоростью выхода на рабочий режим работы;
- небольшой массой и габаритами;
- стабильностью температуры воздуха на выходе (на номинальном режиме +80…+110°C, причем температура может быть изменена);
- отсутствием подвижных частей;
- не требует технического обслуживания.
На чертеже (фиг. 1) представлена одна из возможных схем предложенного способа подогрева насоса пожарной машины для зимних условий. Где: 1 - двигатель базового шасси пожарного автомобиля; 2 - компрессор пневматической тормозной системы базового шасси; 3 - ресивер тормозной системы; 4 - трубопровод отбора сжатого воздуха; 5 - запорная арматура; 6 - двухступенчатое теплогенерирующее устройство на основе вихревой трубы Ранка-Хильша; 7 - патрубок для подвода сухого горячего воздуха в рубашку подогрева корпуса пожарного насоса; 8 - пожарный насос; 9 - рубашка подогрева корпуса пожарного насоса; 10 - рубашка подогрева всасывающего патрубка пожарного насоса; 11 - патрубок для отвода воздуха.
Таким образом, рубашка подогрева пожарного насоса имеет патрубки для подвода сухого горячего воздуха и для его отвода. При этом для эффективной передачи теплоты огнетушащей жидкости находящейся в полости насоса патрубок для подвода сухого горячего воздуха размещен на диффузоре насоса, а патрубок для отвода - на его всасывающем патрубке. Это позволяет в полной мере использовать принцип противотока для нагрева воды, циркулирующей в насосе. Кроме того, отвод воздуха осуществляется в нижнюю часть насосного отсека пожарного автомобиля, непосредственно под его спецагрегат. Как вариант возможно также техническое решение, по которому рубашка подогрева, представляющая собой съемный кожух, размещена вокруг напорного коллектора насоса, либо вокруг его корпуса, либо вокруг насоса в сборе.
Теплогенерирующее устройство и автономный компрессор могут размещаться в насосном или смежных отсеках пожарного автомобиля.
Пожарная машина с насосом такой конструкции в зимних условиях работает следующим образом.
По прибытии пожарного автомобиля к месту вызова производится боевое развертывание с забором воды из водоисточника. После поступления воды в пожарный насос водитель включает в работу теплогенерирующее устройство для чего необходимо установить запорную арматуру 5 на трубопроводе отбора сжатого воздуха от тормозной системы базового шасси (либо от автономного компрессора) 4 в положении «Открыто».
В сильные морозы, перед подачей воды в напорную пожарную рукавную линию воду рекомендуется предварительно нагреть работой насоса на больших оборотах при этом напорные задвижки должны быть полностью закрыты, что позволяет ускорить прогрев пожарного насоса и огнетушащей жидкости в нем за счет внутреннего трения воды о рабочее колесо и корпус [см. Рекомендации по практической работе со специальными агрегатами пожарных автомобилей. - М.: ВНИИПО МВД России. 1994. - 54 с]. Для дополнительного подогрева воды в пожарном насосе перед подачей воды в напорную пожарную рукавную линию водитель устанавливает запорную арматуру 5 на трубопроводе отбора сжатого воздуха 4 в положение «Открыто» и таким образом включает в работу теплогенерирующее устройство. После чего следует подать воду из насоса в свободный напорный патрубок и только при устойчивой работе насоса подавать воду в напорную рукавную линию.
При необходимости временного прекращения подачи воды на тушение пожарный насос не останавливать, а закрыть напорные задвижки насоса и снизить обороты двигателя пожарного автомобиля. При этом насос постепенно нагревается. Об интенсивности прогрева насоса свидетельствуют следующие научные данные: при нулевой подаче и работе пожарного центробежного насоса марки ПН-40УВ на номинальной частоте вращения вала рабочего колеса 2700 об/мин мощность, которую он потребляет, составляет порядка 22 кВт [см. Пожарная техника. Учебник / Под ред. Безбородько М.Д. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. - 550 с]. При достижении температуры воды в насосе 75°C загорается предупредительная лампочка - на тех насосах, которые оснащены такой теплоизмерительной системой [см. Пожарная автоцистерна АЦ-6,0 - 40/4 (53211) модель 1-ДД. Инструкция по эксплуатации. ОАО «Давыдово». 1997. - 34 с]. Для предотвращения дальнейшего повышения температуры насоса и обрыва столба жидкости во всасывающей линии или перемерзания последней необходимо предусматривать ручной или автоматический сброс воды на слив в водоем, например: открыть на короткое время свободный патрубок насоса или сливной краник в его корпусе [см. Рекомендации по практической работе со специальными агрегатами пожарных автомобилей. - М.: ВНИИПО МВД России. 1994. - 54 с].
Перед остановкой пожарного насоса необходимо открыть сливной краник и убедиться в истечении через него воды. Разборку магистральных напорных рукавных линий производить сразу же по окончании тушения пожара. Если имеется достаточное количество личного состава чтобы одновременно рассоединить каждую пару соединительных головок, то дается команда остановки насоса и одновременно рассоединяются все рукава. Необходимо сразу же слить из них воду. Если личного состава для этого недостаточно, то при уборке линий подача воды не прекращается. Уборка производится со стороны пожарного ствола при уменьшенном напоре [см. Рекомендации по практической работе со специальными агрегатами пожарных автомобилей. - M.: ВНИИПО МВД России. 1994. - 54 с]. Затем остановить насос. После этого возможно отсоединить всасывающий рукав и полностью удалить воду из полости пожарного насоса. При этом водитель отключает теплогенерирующее устройство для чего устанавливает запорную арматуру 5 на трубопроводе 4 отбора сжатого воздуха в положение «Закрыто».
Новизной разработки является подогрев пожарного насоса теплотой сухого горячего воздуха в зимних условиях, что также исключает замерзание контрольно-измерительных приборов при работе пожарного насоса, гарантирует более полное удаление через сливной краник на корпусе насоса огнетушащей жидкости, оставшейся после его работы на пожаре, позволяет исключить примерзание как рабочего колеса к корпусу, а также клапанов и задвижек водопенных коммуникаций насоса - к их седлам. Действительно, вопрос подогрева пожарного насоса в условиях низких температур является весьма актуальным, поскольку известно статистическое распределение отказов агрегатов и систем пожарного автомобиля под воздействием низких температур. Так, замерзание воды в пожарном насосе наблюдалось в 70% случаев, замерзание водопенных коммуникаций насоса - в 17%, в 9% случаев имели место отказы двигателя пожарного автомобиля, а в 4% - замерзание вакуумной системы пожарного насоса [см. Пивоваров В.В. Совершенствование парка пожарных автомобилей России. - М.: ВНИИПО, 2006. - 194 с].
Для ориентировочного определения мощности, необходимой для подогрева насоса и огнетушащей жидкости в нем теплотой сухого горячего воздуха, получаемого в теплогенераторе на основе вихревой трубы Ранке-Хильша, посредством нагнетания в него сжатого воздуха от компрессора, приведем следующую выкладку.
Так, известно, что при тушении более 90% пожаров расход воды составляет порядка 10…15 л/с [см. Яковенко Ю.Ф. Россия: пожарная охрана на рубеже веков. - Тверь: Сивер, 2004. - 208 с]. Следовательно, для того, чтобы обеспечить приращение температуры воды в магистральной пожарной напорной линии на каждые Δt=0,1°C нужно располагать следующей мощностью, кВт:
p
N=(CQΔt)/τ,
p
p
где C - удельная теплоемкость воды при температуре 0°C, C=4,212 кДж/(кг*°C) [см. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. - 320 с.]; Q - расход пресной воды на среднестатистическом пожаре Q=10…15 л/с, т.е. 10…15 кг/с; τ - время, сек.
Таким образом, мощность необходимая для подогрева воды в магистральной пожарной напорной линии на каждые 0,1°C при расходах порядка 10…15 л/с будет находиться в пределах соответственно 4,2…6,3 кВт. Поскольку в конструкции теплогенерирующего устройства на основе вихревой трубы Ранка-Хильша не предусмотрен подвод какой-либо иной мощности кроме мощности потока воздуха, создаваемой компрессором, то очевидно, что величина переданной теплогенератору мощности и будет соответствовать мощности указанного агрегата. Это сопоставимо с номинальной мощностью компрессоров пневматической тормозной системы базовых шасси отечественных пожарных автомобилей (см. Автомобили КАМАЗ 6×4. Руководство по эксплуатации 5320 - 3902004РЭ и сервисная книжка.- М.: Машиностроение. 1994. - 448 с).
Эффективность вихревого теплогенератора Ранка-Хильша достаточно высока (см. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? - М.: Энергия, 1976. - 156 с). Однако, при наличии потребности в увеличении интенсивности подогрева воды (экстремально низкие температуры воздуха, необходимость прокладки магистральных рукавных пожарных линий значительной длины и т.п.) в конструктивно-компоновочных решениях пожарных машин могут быть предусмотрены теплогенераторы более мощных типоразмеров либо регенеративного типа и/или 2-х…3-х ступенчатой конструкции, наряду с автономными эффективными компрессорами винтового типа.
Так, для получения газов с весьма высокими температурами может применяться вихревое устройство, включающее несколько труб. В таких многоступенчатых теплогенерирующих устройствах полученный на выходе вихревой трубы горячий поток направляется на вход следующей вихревой трубы, где он снова разделяется на горячую и холодную части. Дополнительно подогретый газ подается потребителю, а холодный поток через другой патрубок - сбрасывается в окружающую среду либо направляется своему потребителю.
Регенеративные установки основаны на использовании нагрева воздуха перед вихревой трубой. Для этого в них используется теплообменник, куда направляется горячий поток, который подогревает идущий навстречу ему сжатый газ перед подачей в вихревую трубу. В этом случае температура горячего газа будет значительно выше температуры газа без регенерации.
Регенеративные теплогенерирующие установки при необходимости целесообразно сочетать с многоступенчатыми схемами.
Таким образом, в случае применения рубашки подогрева пожарного насоса возможен дополнительный подогрев огнетушащей жидкости на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур на величину порядка 0,12°C (расчет произведен без учета рассеивания теплоты наружными поверхностями пожарного насоса).
При положительных температурах окружающего воздуха (в весенне-летний период), запорная арматура на трубопроводе отбора сжатого воздуха переводится в положение «Выключено» и пожарный насос работает в штатном режиме, т.е. без подогрева.
Применение предложенного технического решения по дополнительному, сопутствующему, в течение всего периода пожаротушения, подогреву пожарного насоса в зимних условиях, которое осуществляют теплотой сухого горячего воздуха в теплогенерирующем устройстве - вихревой трубе Ранке-Хильша, приводимом в действие от пневматической тормозной системы базового шасси пожарного автомобиля, либо автономного компрессора, изменяет тепловой баланс пожарного насоса и позволяет интенсивнее подогревать огнетушащую жидкость внутри насоса. При использовании дополнительного подогрева насоса снизится трудоемкость работ по разборке рукавных линий, уменьшится износ и увеличится долговечность пожарных напорных рукавов зимой, т.к. указанные показатели во многом зависят от температуры потока огнетушащей жидкости в них. Все это в целом повышает надежность насосно-рукавных систем и эффективность тушения пожаров в условиях низких температур окружающего воздуха, т.е. позволит уменьшить количество жертв и материальных потерь от пожаров и ЧС при обеспечении пожарных машин многоступенчатым и/или регенеративным теплогенерирующим устройством на основе вихревой трубы и спецагрегатом с корпусом и всасывающем патрубком, в которых имеется рубашки подогрева либо съемного разборного кожуха на напорном коллекторе или на насосе в целом.