СПОСОБ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ACCIDENT RESCUE OPERATIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области ведения аварийно-спасательных работ в условиях дефицита промышленных источников энергии или в условиях необходимости экономии энергии от промышленных источников, например, при откачке воды из строительных котлованов, из затапливаемых помещений при наводнениях и паводках, из трюмов кораблей при наличии протечек или при подаче воды в очаг пожара.
Известен способ водоотлива насосами с электроприводом путем всасывания воды из зоны затопления и подачи ее по нагнетательному трубопроводу на выброс (SU 2020277, опубл. в 1991 г.). Недостатком данного способа является необходимость принудительного перемещения воды за счет использования промышленных источников энергии. Это делает сложным его использование в аварийной ситуации или при отсутствии промышленных источников энергии в отдаленных и вновь осваиваемых территориях.
Более близким к изобретению по технической сущности является способ перемещения жидкости за счет вытеснения ее погружающимся под действием силы тяжести телом (RU 24321059, опубл. 24.02.2010 г.). В этом случае тонущее в воде тяжелое тело вытесняет по закону Архимеда воду вверх в объеме погруженной части тела и передает свою потенциальную энергию воде, вытесняемой вверх. Однако этот способ подъема воды требует дополнительных затрат на возвращение утонувшего тела в исходное верхнее положение.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ вытеснения жидкости вверх телом, погружающимся в нее за счет своей силы тяжести и возвращающимся в исходное верхнее положение за счет силы тяжести вытесненной им жидкости, воздействующей на рычаг, поднимающий утонувшее тело (RU 2447326, опубл. 10.04.2012 г.). Причем нагружение рычага поднятой водой производят путем предварительного складирования поднимаемой воды в накопительную водосборную емкость до получения нужного объема ее, а затем перемещения ее с помощью сифона в промежуточную емкость, подвешенную на конце поднимающего рычага. У этого способа имеются следующие недостатки. Бесклапанные каналы для движения вытесняемой воды имеют ограниченные поперечные размеры из-за необходимости сокращения количества возвращающейся вниз воды при подъеме вытеснителя воды, что снижает объемную производительность вытеснения. Кроме того, вода, находящаяся в подъемной трубе, не поступает в накопительную емкость и не участвует в возвращении утонувшего тела в исходное верхнее положение.
Задача изобретения - повысить надежность водоотлива в условиях проведения аварийно-спасательных работ за счет увеличения производительности водоотлива, исключения потерь из водоподъемных каналов вытесненной вверх воды при операции возвращения вытеснителя в исходное верхнее положение и принятия нужного объема предварительно складируемой жидкости при вытеснении ее вверх из условия соблюдения закона сохранения энергии на рычаге.
Технический результат достигается тем, что в способе вытеснения жидкости телом, погружающимся в нее под действием своей силы тяжести и возвращающимся в исходное верхнее положение за счет силы тяжести вытесненной им жидкости, воздействующей на рычаг, поднимающий утонувшее тело, согласно изобретению вытесненную жидкость сначала используют для нагружения погружающегося тела, а затем нагружают ею же длинный рычаг на расстоянии от точки опоры рычага, соответствующем условию соблюдения закона сохранения энергии на рычаге, выражающимся в равенстве моментов действующих на рычаг сил противоположного направления относительно точки опоры рычага.
Пример осуществления способа
Водоотлив из затопленных мест осуществляют следующим образом. На подтопленной территории с помощью корпуса со всасывающим клапаном, (на схеме не показано) выделяют часть жидкости. Затем в корпус, например, в виде трубы погружают тело водоподъемника. При этом тело водоподъемника имеет осевой канал или водоподъемную трубу с нагнетательным клапаном для выдачи жидкости и смонтировано на диафрагме, закрепленной в корпусе. При погружении тела водоподъемника жидкость вытесняется вверх из корпуса по осевому каналу погружаемого тела и изливается в накопительную емкость, смонтированную на верхнем конце водоподъемной трубы. Складируемая в накопительной емкости жидкость создает дополнительную нагрузку на погружаемое тело и способствует увеличению объема вытесняемой жидкости из корпуса. Жидкость вытесняют до тех пор, пока ее объем и вес в накопительной емкости не достигнет величины, достаточной для создания величины момента относительно точки опоры рычага (коромысла) при воздействии на конец длинного плеча рычага, превышающего момент относительно этой же точки опоры, создаваемый весом погружаемого тела, подвешенного на коротком плече.. Равенство этих моментов отражает соблюдение закона сохранения энергии на рычаге (Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики, 14-е изд., т.1, стр.181, абзац первый, М., Физматлит, 2012 г.)
FтSт=FжSж,
где Fт - вес погружаемого тела;
Sт - длина короткого плеча рычага (длину короткого плеча рычага принимаем из конструктивных соображений для обеспечения возвратно-поступательного движения погружаемого тела);
Fж - вес жидкости, вытесненной погружаемым телом в накопительную емкость за один цикл;
Sж - длина или протяженность длинного плеча рычага.
Учитывая закон Архимеда, который гласит, что при погружении тела в жидкость вытесняется жидкость в объеме погруженной части тела, можем написать закон сохранения энергии в новой форме
YтWSт=YжWSж,
где Yт - объемный вес погружаемого тела;
W - объем погружаемого в жидкость тела и вытесненной им жидкости;
Yж - объемный вес вытесняемой жидкости.
После преобразований имеем YтSт=YжSж или Sж=SтYт/Yж и Sж/Sт=Yт/Yж. То есть при равновесии указанных выше моментов протяженность длинного плеча рычага должна быть во столько раз больше протяженности короткого плеча рычага, во сколько раз объемный вес тела больше объемного веса вытесняемой жидкости. Таким образом мы находим длину рычага (коромысла) и соотношение его плеч.
Так как вес жидкости в накопительной емкости увеличивает нагрузку на погружаемое тело и этим обеспечивает увеличение объема вытесняемой вверх жидкости из корпуса, которая в последствии перетечет по сифонной трубе в емкость на конце длинного рычага, то это гарантирует подъем погружаемого тела в верхнее крайнее положение без увеличения протяженности длинного плеча рычага, полученной по условию равновесия моментов на рычаге. Рассмотрим конкретный пример.
Диаметр корпуса 0,2 м. Высота подъема воды 2 м.
Требующийся вес погружаемого тела Fт=pпRR,
где п - число 3,14; R - радиус корпуса (R=0,1 м);
3
р - гидростатическое давление под торцом погружаемого тела. При этом р=YжН, где Yж - объемный вес жидкости (Yж=1000 кг/м), а Н - высота подъема жидкости.
Отсюда вес погружаемого тела Fт=1000×2×3,14×0,1×0,1=62,8 кг.
Слагаемыми полученного веса 62,8 кг являются вес самого погружаемого тела, его водоподъемной трубы, накопительной емкости на ней и складированной в нее вытесненной из корпуса жидкости.
При длине короткого плеча Sт=0,25 м и глубине погружения в жидкость тонущего тела h=0,25 м вытесняется за один цикл жидкость в объеме W=лRRh=3,14×0,1×0,1×0,25=7,85 л.
Соблюдение закона сохранения энергии в этом случае будет описываться уравнением
Таким образом, водоотлив будет осуществляться в автоматическом режиме за счет сил тяжести (гравитации) погружаемого тела и вытесненного им объема жидкости при погружении до тех пор, пока будет соблюдаться указанное соотношение сил на рычаге (коромысле).
Устройство для аварийно-спасательных работ
Известно устройство для аварийно-спасательных работ. Оно представляет собой центробежный насос с электродвигателем, потребляющим энергию от промышленных источников энергии (8U 2020277, 1991 г.). Недостатком этого устройства является зависимость от промышленных источников энергии, что делает невозможным его использование в аварийных ситуациях и в период стихийных бедствий.
Более близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство (RU 2431059, опубл. 24.02.2010 г.), состоящее из корпуса, погружаемого тела и рычажного спуско-подъемного механизма. Недостаток этого устройства заключается в том, что оно рассчитано на использование мускульных усилий человека, что ограничивает его область применения и производительность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство (RU 2447326, опубл. 10.04.2012 г.). В этом случае тонущее в воде под действием своей силы тяжести тяжелое тело вытесняет вверх воду из корпуса, которая по сифонной трубе перетекает в емкость, установленную на конце длинного плеча рычага, на коротком плече которого подвешено тело, вытесняющее воду. Соотношение длины плеч рычага принято из условия соблюдения закона сохранения энергии на рычаге. У этого устройства следующие недостатки. Площадь поперечного сечения канала, по которому поднимается вверх вытесненная вода, принята минимальных размеров из условия минимизации потерь вытесненной воды при возвращении утонувшего тела в исходное верхнее положение. По этой причине затягивается время цикла и уменьшается производительность водоподъемника. Кроме того, освобождение от воды водоподъемной трубы при возвращении утонувшего тела в исходное верхнее положение требует дополнительного времени для ее наполнения при очередном цикле, что еще больше снижает производительность. Это снижает надежность и производительность водоподъемника.
Задача изобретения - повысить надежность и производительность водоподъемника за счет увеличения площади поперечного сечения водоподъемных каналов, исключения потерь вытесненной воды и определения соотношения плеч рычага из условия соблюдения закона сохранения энергии на рычаге.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем корпус, погружаемое в корпус тело, средства для его возвратно-поступательного движения в виде неравноплечего рычага (коромысла), на коротком плече которого подвешено погружаемое тело, а на длинном плече промежуточная емкость с водой, формирующая усилие по подъему погружаемого тела в исходное верхнее положение, и сифонные трубы, соединяющие между собой водосборные емкости, согласно изобретению погружаемое тело размещено на диафрагме, закрепленной в корпусе, имеет водоподъемную трубу, на входе в которую в нижней части установлен нагнетательный клапан, на выходе в верхней части размещена емкость для накопления вытесняемой из корпуса жидкости и подвешено на коротком плече коромысла, формируя желательно минимальный момент своей силой тяжести относительно точки опоры рычага (коромысла) при принятом объеме вытеснения жидкости за цикл, а протяженность длинного плеча коромысла, на конце которого установлена емкость, формирующая усилие на длинном плече коромысла для подъема погружаемого тела, выполнена по условию соблюдения закона сохранения энергии, выражающегося в равенстве моментов действующих сил противоположного направления относительно точки опоры рычага (коромысла).
Устройство для аварийно-спасательных работ изображено на прилагаемом чертеже.
Устройство содержит корпус 1 со всасывающим клапаном (на схеме не показано), погружаемое тело 2, водоподъемную трубу 3 с нагнетательным клапаном 10 и диафрагму 4, накопительную емкость 5 на водоподъемной трубе 3, промежуточную емкость 6 на конце длинного плеча рычага 7 и сифонные трубы 8 и 9 между водосборными емкостями.
Устройство работает следующим образом. Корпус 1 устанавливают на затопленной территории. В корпусе размещено погружаемое тело 2 на диафрагме 4 с водоподъемной трубой 3, имеющей на нижнем конце нагнетательный клапан 10, а на верхнем конце водоподъемной трубы накопительную емкость 5.
Монтируется рычаг 7 на верхнем конце корпуса 1. К короткому концу рычага 7 подвешивается погружаемое тело 2, а к длинному концу рычага - промежуточная водосборная емкость 6. Емкости 5 и 6 оборудованы сифонными трубами 8 и 9 для их опорожнения. Начальное положение рычага 7 горизонтальное, а тело 2 частично погружено в воду или может только касаться воды. Рычаг 7 может быть зафиксирован и с поднятым коротким плечом, например, до 30 градусов. Это позволяет увеличить ход погружаемого тела по вертикали и соответственно увеличить объем вытесняемой жидкости за цикл. Затем рычаг 7 освобождается от фиксации и предоставляется возможность телу 2 перемещаться вниз под действием своей силы тяжести. При этом погружаемое тело 2 формирует на поверхности жидкости избыточное давление, под действием которого жидкость вытесняется вверх по водоподъемной трубе 3 и истекает в накопительную емкость 5. Объем емкости 5 соответствует такому количеству жидкости, которое своим весом способно сформировать момент на длинном плече, превышающий момент на коротком плече рычага, и рычаг своим коротким плечом поднимет утонувшее тело в исходное верхнее положение.
При наполнении емкости 5 включается сифон 8, и вода переливается в промежуточную емкость 6. Включение сифона обеспечивается автоматически расположением его верхней точки над дном емкости. По мере заполнения емкости 6 снимается нагрузка с погружаемого тела 2 в связи с опорожнением емкости 5. Поэтому погружаемое тело 2 сначала останавливается в своем поступательном движении вниз, а затем рычагом поднимается в верхнее исходное положение. При остановке тела 2 нагнетательный клапан 10 закрывается и жидкость внутри водоподъемной трубы 3 сохраняется и очередной цикл уже начинается не с заполнения водоподъемной трубы, а сразу с излияния жидкости в накопительную емкость 5. Это сокращает продолжительность цикла и длину хода погружаемого тела 2 по вертикали. Все это повышает производительность водоподъемника и надежность его работы.
Возвращение тела 2 в исходное верхнее положение означает завершение рабочего цикла. После опорожнения емкости 6 с помощью сифона 9 погружаемое тело 2 начинает очередной рабочий цикл. К этому времени корпус 1 через всасывающий клапан уже оказывается заполненным новой порцией жидкости.
Таким образом, обеспечивается водоотлив за счет использования альтернативного возобновляемого источника энергии земного тяготения. Могут быть разработаны устройства индивидуального пользования с ограниченной производительностью для использования в условиях отдельных небольших объектов. В промышленных условиях производительность может быть доведена до нескольких кубометров за цикл. В настоящее время аварийный водоотлив может производиться таким способом с ограниченной глубины до 10 м.