Способ формирования самовспенивающейся струи заданной кратности и устройство для его реализации
METHOD FOR FORMING SELF-FOAMING JET OF GIVEN MULTIPLICITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области пенного пожаротушения, а именно тушению и предотвращению пожаров больших труднодоступных территорий таких, как лесные верховые и низовые пожары.
При тушении пожаров больших территорий в труднодоступных местах таких, как лесные пожары, широко известно использование тяжелых специальных самолетов, оснащенных многотонными цистернами с водой. Но данный метод малоэффективен из-за низкой прицельности попадания воды в зону огня и скорости ее осаждения на лес, к тому же часть распыленной воды уносится вверх с восходящим потоком продуктов сгорания.
Известны системы тушения лесных пожаров в виде автономных устройств, размещенных на внешней подвеске вертолетов, увеличивающих прицельность попадания пожаротушащих составов в зону огня, но имеющих меньший их запас за один пролет вертолета (водосливные устройства ВСУ-5, ВСУ-15, предназначенные для транспортировки на внешней подвеске вертолетов и слива воды на очаги пожаров). В этом случае, часть распыленной воды также уносится вверх восходящим потоком продуктов сгорания.
В связи с этим требуется применение высокоэффективных огнетушащих составов и увеличение прицельности их попадания в зону огня. Существует изобретение высокой прицельности попадания огнетушащих составов в зону огня за счет вышибных, взрывных зарядов, разгоняющих огнетушащий состав патент RU №2180600 С1 «Огнетушещее устройство для тушения лесных и степных пожаров». Минусами данного изобретения является сложность конструкции и необходимость повторного снаряжения устройства, а также использование взрывчатых систем, увеличивающих опасность применения и эксплуатации в реальных условиях.
Известно, что эффективным и распространенным средством тушения пожаров является воздушно-механическая пена. В большинстве устройств пена образуется путем подачи раствора пенообразователя в пеногенератор (например, патент RU №2180607 С1 «Способ формирования струи и пены средней кратности повышенной дальнобойности и устройство для его осуществления» (Варианты)). Причем эффективность тушения (площадь тушения на единицу расхода пенообразователя) определяется кратностью образованной пены.
Известно, что при локальных пожарах пена средней кратности обладает повышенной (по отношению к пенам низкой кратности) огнетушащей эффективностью, однако данные генераторы пены имеют низкую дальнобойность - 3-8 м, что затрудняет их использование при тушении крупногабаритных пожаров в труднодоступных местах (лесного пожара) из-за опасности приближения к очагам огня и оседания пены на кронах деревьев, что затрудняет тушение низовых пожаров т.к. пена легко сносится ветром, уменьшая прицельность попадания пены в зону огня.
Применение генераторов пены низкой кратности обеспечивает дальнобойность струи 20-60 м, увеличивает пробивную способность кроны деревьев, но не обеспечивает эффективность и необходимую площадь поверхности покрытия.
Известны изобретения (системы подачи пены), позволяющие насыщать пенообразователь сжатыми газами внутри герметичной емкости системы подачи, например, за счет барботирования объема пенообразователя.
В изобретении RU №2678257 С1 "Способ получения самовспенивающейся газонаполненной пены и устройство для его реализации" (Прототип) способ получения самовспенивающейся газонаполненной пены, заключается в барботировании продуктов горения через раствор пенообразователя и насыщении указанного раствора газами в герметичной емкости и подачу его в очаг горения с образованием на его поверхности самовспенивающейся газонаполненной пены, при создании раствора пенообразователя, концентрированный раствор пенообразователя интенсивно перемешивают с водой в емкости, а затем, с задержкой от 3 до 10 с, производят подачу полученного раствора пенообразователя в очаг горения. Минусом данного способа является то, что струя раствора пенообразователя, насыщенная газами продуктов горения, подаваемая под давлением, сразу же при выходе из ствола системы подачи активно расширяется за счет расширения данных газов, насыщающих струю до давления окружающей среды, и происходит самовспенивание. При этом на пену действует повышенное аэродинамическое сопротивление, уменьшающее дальнобойность и прицельность попадания струи в зону пламени. Данный способ является наиболее близким аналогом и взят за прототип.
Задачей изобретения является предотвращение и тушение крупногабаритных пожаров в труднодоступных местностях, создания заградительных полос для ликвидации лесных верховых и низовых пожаров при помощи автономных устройств, формирующих самовспенивающуюся струю заданной кратности высокой дальнобойности.
Поставленная задача достигается тем, что формирование самовспенивающейся струи заданной кратности высокой дальнобойности, заключается в насыщении водного раствора пенообразователя газами с образованием самовспенивающейся струи и подачи ее из ствола системы подачи, при котором насыщение водного раствора пенообразователя газами производят при истечении его струи из ствола, вводя гидрореагирующий состав, вступающий в реакцию с водным раствором пенообразователя на заданном расстоянии от среза ствола системы подачи, при этом кратность пены обеспечивают расходом гидрореагирующего состава, а дальнобойность - задержкой взаимодействия гидрореагирующего состава с водным раствором пенообразователя.
Для обеспечения доступности и невысокой стоимости компонентной базы в качестве гидрореагирующего состава используют смесь порошкообразных кислот и солей щелочной среды.
Для упрощения технологии и экономии вспомогательных расходных материалов, задержку взаимодействия гидрореагирующего состава с водным раствором пенообразователя обеспечивают за счет размещения порошков гидрореагирующего состава в отдельных капсулах, растворяющихся в струе водного раствора пенообразователя с заданной скоростью, обеспечивающей заданную дальнобойность.
Устройство для получения самовспенивающейся струи заданной кратности высокой дальнобойности состоит из герметичной емкости с водным раствором пенообразователя, устройства подачи ее содержимого в ствол, клапана сброса избыточного давления в емкости, твердотопливного газогенератора, обеспечивающего истечение через сопловые отверстия продуктов его сгорания в герметичную емкость, внутри данной емкости установлена герметичная камера с гидрореагирующим составом, газогенератор снабжен ресивером с фильтром-охладителем, сообщенным с внутренней полостью герметичной камеры через форсуночное устройство подачи продуктов сгорания по всему объему камеры, которая в свою очередь сообщена через обратный клапан со стволом. В стволе происходит смешение данного состава с водным раствором пенообразователя и разгон струи до заданной скорости.
На фигуре представлено устройство, реализующее заявляемый способ.
Устройство включает в себя герметичную емкость (1), заполненную водным раствором пенообразователя в виде раствора с поверхностно-активными веществами со специальными добавками, например патент «Универсальный огнетушащий состав для борьбы с лесными пожарами» RU 2656035 С1. Верхняя часть емкости снабжена горловиной с предохранительным клапаном сброса избыточного давления (2) в емкости (1) и газогенератором (3). Газогенератор (3) имеет заряд твердого топлива (4), при сгорании которого образуются газообразные продукты сгорания, воспламенитель (5), ресивер с фильтром-охладителем (6). Ресивер с фильтром-охладителем сообщается с внутренней полостью герметичной камеры (7), в которой находится гранулированный гидрореагирующий состав, через форсуночное устройство (8) подачи очищенных и охлажденный продуктов сгорания по всему объему камеры (7). Ресивер с фильтром-охладителем снабжен форсунками (9) для истечения продуктов сгорания твердого топлива в емкость (1).
Камера (7) сообщена через обратный клапан (10) со стволом (11). Переходник (12) соединяет емкость (1) и камеру (7) со стволом (11). Переходник (12) имеет форсуночные устройства (13) подачи водного раствора пенообразователя в ствол. Для разгона струи ствол имеет конический сопловой насадок.
Продукты сгорания твердого топлива обычно имеют высокую температуру и содержат в своем составе частицы конденсированной фазы. Фильтр-охладитель обеспечивает требуемую чистоту и температуру продуктов сгорания твердого топлива, для получения псевдожидкости и исключения преждевременного разложения гидрореагирующего состава.
Устройство работает следующим образом.
При подаче электрического сигнала от оператора или датчика происходит воспламенение заряда твердого топлива (4). Газы - продукты его сгорания, через форсунки (9) поступают в емкость (1). Собираясь над зеркалом жидкости в емкости (1), создают давление на жидкость, вытесняя ее через форсуночное устройство (13) в ствол (11).
Одновременно газы, протекая через ресивер с фильтром-охладителем (6), подаются через форсуночное устройство (8) в камеру (7). В камере (7) данные газы создают равновесие между гравитационными силами и динамическим воздействием потока.
При этом скорость протекания газа определяется выражением:
т
где d, ρ- диаметр и плотность частиц (капсул гидрореагирующего компонента);
v, ρ - вязкость и плотность газа. «Газогенераторы ракетных систем» Москва «Машиностроение» 1981 г.
В результате этого гранулы взвешиваются и гранулированный гидрореагирующий состав, превращаясь в псевдожидкость, движется, как обычная жидкость и истекает в форсунку. Экспериментальные исследования показали, что для впрыска псевдожидкости пригодны струйные и шнековые форсунки. Центральная струя гранулированного гидрореагирующего состава, истекающая из форсунки, взаимодействует с отдельно подаваемыми по переферии струями водного раствора пенообразователя.
Для определения эффективности изобретения проводим оценку увеличения дальнобойности струи пены кратностью К=20 (отношение объема пены к объему не вспененного пенообразователя), реализуемой за счет вспенивания струи водного раствора пенообразователя на заданном расстоянии за срезом ствола гранулированным гидрореагирующим составом включающим: лимонную кислоту (45%), гидрокарбонат натрия (50%) и глицерин (5%) по отношению к струе пены созданной прототипом.
При введении в невспененную струю водного раствора пенообразователя данного гранулированного гидрореагирующего состава происходит смешение (с заданной задержкой), растворение порошков в водном растворе пенообразователя и химическая реакция нейтрализации с выделением 30% углекислого газа (от массы порошков), а также образованием ~20% дополнительной воды, и ~50% конденсированной фазы, не участвующей в пенообразовании. Принимая, что ~70% образовавшегося углекислого газа идет на ценообразование, для обеспечения кратности пены 20 (с учетом образовавшейся воды) необходимо 13% (по массе) гранулированного гидрореагирующего состава (порошков) от расхода пенообразователя (с увеличенной концентрацией раствора пенообразователя на 4%, т.к. в процессе реакции образуется дополнительная вода). Реакция нейтрализации в данном случае эндотермическая, и при смешении и вспенивании водного раствора пенообразователя температура раствора падает ~ на 20 градусов.
По результатам лабораторных исследований установлено, что при размещении гранул гидрореагирующего состава диаметром 2 мм в водном растворе пенообразователя, происходит интенсивное выделение газов, вспенивающих данный раствор за время ~2 с.
Задержка взаимодействия гидрореагирующего состава с раствором пенообразователя в струе выбирается, исходя из заданной дальнобойности и скорости струи при выходе из ствола, и реализуется за счет флегматизации поверхности гранул гидрореагирующего состава специальными составами, разлагаемыми водным раствором струи, либо капсулирования данного состава в растворяемые водным раствором пенообразователя капсулы.
В качестве флегматизирующего состава поверхности гранул или состава для капсул, растворяемых струей водного раствора пенообразователя, используют желатин 10% и глицерин 90%. Линейная скорость растворения данного состава в водном растворе составляет ~0.2 мм/с. Подбирая толщину капсул, обеспечивают заданную задержку взаимодействия гидрореагирующего состава с раствором пенообразователя.
При псевдоожижении гранулированного гидрореагирующего состава происходит уменьшение насыпной плотности данных компонентов (~50), и свободное пространство между частицами занимает газ-продукты горения газогенератора. При этом объем, занимаемый газом близок к объему, занимаемому частицами в псевдожидкости. Поступая в струю водного раствора пенообразователя вместе с частицами гранулированного гидрореагирующего состава, газ вспенит данный раствор, но из-за малости объема газа в псепдожидкости по отношению к объему водного раствора пенообразователя ~ 5%, кратность пены составляет: К~1,05 и вспенивание водного раствора пенообразователя газом псевдожидкости пренебрежимо мало.
Принимая, что при установке ствола под углом к горизонту, горизонтальная составляющая скорости струи меняется от заданного значения на срезе ствола системы подачи пены до нуля за счет аэродинамического торможения, скорость струи на срезе ствола, угол наклона ствола, скорости вспенивания и коэффициенты аэродинамического сопротивления струй одинаковы для предлагаемого изобретения и прототипа, отношение дальнобойностей струи предлагаемого изобретения и прототипа определяется отношением сил аэродинамического сопротивления, действующих на струи в полете, и обратно пропорциональны массам струй:
из
пр
где L, L - дальнобойности предлагаемого изобретения и прототипа;
- силы аэродинамического сопротивления, действующие на струи в полете, для предлагаемого изобретения и прототипа;
из
пр
М, М - массы струй изобретения и прототипа.
Силы аэродинамического сопротивления, действующие на струи в полете, пропорциональны поперечным площадям струи, и принимая, что расширение струи при вспенивании - всестороннее, отношение поперечных площадей вспененной струи прототипа в полете к невспененной струе предлагаемого изобретения в полете равно:
пр
пр
Где V - объем невспененной струи предлагаемого изобретения, V - объем пены прототипа. Отношение объемов соответствует кратности пены:
Таким образом, отношение дальнобойностей струи предлагаемого изобретения и прототипа оценивается:
По мнению авторов предлагаемого изобретения, признаки, приведенные в формуле изобретения, являются необходимыми и достаточными для достижения указанного технического результата, то есть являются существенными.
Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».
Предложенный способ позволяет увеличить дальнобойность ~ в 6.5 раз пены за счет самовспенивания раствора пенообразователя непосредственно у зоны пламени и/или у необходимой зоны при создании заградительных полос при ликвидации, например, лесных верховых и низовых пожаров.