СПОСОБ ПОДОГРЕВА НАСОСА ПОЖАРНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ
METHOD TO HEAT FIRE ENGINE PUMP IN LOW TEMPERATURES

Предлагаемое изобретение 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 тепло в окружающее пространство. Количество теряемого тепла 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°С 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. Дис. 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 тепла от его наружных поверхностей в окружающую среду и колеблется в пределах от 0,4 до 1,3°С [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 тепла 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 совмещают с днищем насосного отсека пожарных автомобилей.
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, что 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.
Задачей изобретения является обеспечение усиленного подогрева огнетушащей жидкости, находящейся в пожарном центробежном насосе не только теплотой, выделяющейся при работе насоса, но также теплотой отработавших газов либо двигателя базового шасси пожарного автомобиля, либо специального обогревателя, для предотвращения обледенения и замерзания воды в магистральных напорных рукавных линиях в условиях низких температур окружающего воздуха при сохранении динамических характеристик пожарного автомобиля.
Для решения этой задачи дополнительный подогрев огнетушащей жидкости предлагается производить путем подачи непосредственно в специальную подогревательную рубашку корпуса пожарного насоса не охлаждающей жидкости, а отработавших газов двигателя базового шасси пожарного автомобиля  для максимального нагрева собственно пожарного насоса и последующей передачи тепла потоку огнетушащей жидкости. При этом обеспечивается увеличения длины магистральных пожарных напорных рукавных линий. Для получения необходимого количества (теплоты) отработавших газов может быть применен специальный обогреватель, смонтированный в насосном отсеке пожарного автомобиля либо в непосредственной близости с насосным отсеком.
Задача решается тем, что корпус пожарного насоса, предназначенного для эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха, на заводе изготавливают с заранее предусмотренными каналами рубашки подогрева.
На чертеже представлена одна из возможных схем предложенного способа подогрева насоса пожарной машины для низкотемпературных условий, где: 1 - пожарный насос; 2 - рубашка подогрева корпуса насоса; 3 - двигатель базового шасси пожарного автомобиля; 4 - выпускной коллектор двигателя; 5 - переключающее устройство «глушитель - насос»; 6 - глушитель; 7 - патрубок для подвода отработавших газов в рубашку подогрева корпуса пожарного насоса; 8 - патрубок для отвода отработавших газов.
Таким образом, рубашка подогрева корпуса пожарного насоса имеет патрубки для подвода отработавших газов и для их отвода. При этом, для эффективной передачи тепла огнетушащей жидкости, находящейся в полости насоса, патрубок для подвода отработавших газов размещен на диффузоре насоса, а патрубок для их отвода - на противоположной стороне корпуса. Это позволяет в полной мере использовать принцип противотока для нагрева воды, циркулирующей в насосе. Кроме того, рубашка подогрева, для увеличения поверхности теплообмена, состоит из ряда параллельных каналов круглой, прямоугольной или иной формы.
Пожарная машина с насосом такой конструкции в условиях низких температур окружающего воздуха работает следующим образом.
В ходе сезонного технического обслуживания, при переводе пожарного автомобиля на режим осенне-зимней эксплуатации, переключающее устройство, смонтированное на выпускном тракте двигателя базового шасси, переводят в положение «насос». Таким образом, сразу после запуска двигателя его отработавшие газы будут попадать не в глушитель пожарного автомобиля и далее в атмосферу, а сначала в подогревательный контур корпуса пожарного насоса и только потом через глушитель - в атмосферу.
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 как 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.], так и за счет теплоты отработавших газов двигателя либо специального отопителя, например, марки ПЛАНАР - 4Д, фирмы ООО «Адверс». После чего 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°С 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. - М.: ВНИИПО МВД России, 1994, 54 с.]. Затем необходимо остановить насос. После этого возможно отсоединить всасывающий рукав и полностью удалить воду из полости пожарного насоса.
Новизной разработки является подогрев пожарного насоса теплотой отработавших газов в условиях низких температур, 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 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 - 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 подогрева насоса теплотой отработавших газов двигателя пожарного автомобиля, на которую можно рассчитывать, приведем следующую выкладку.
Известно, что пожарный центробежный насос марки НЦПН-40/100 в номинальном режиме обеспечивает подачу 40 л/с воды при напоре 100 м вод. ст. При этом потребляемая им мощность составляет 89 л. с., т.е. порядка 65 кВт [см. Справочное пособие водителя пожарного автомобиля. - М: ВНИИПО МВД России, 1997, 126 с.]. При тушении более 90% пожаров расход воды составляет 10…15 л/с. [см. Яковенко Ю.Ф. Россия: пожарная охрана на рубеже веков. - Тверь: Сивер, 2004, 208 с.]. Для предупреждения замерзания в низкотемпературных условиях воды в рукавных системах рекомендуется увеличить скорость ее движения и повысить интенсивности подач. Поэтому имеются все основания полагать, что расходы воды на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур составляют порядка 20 л/с при напорах 50 м вод. ст. Таким образом, потребляемая пожарным насосом мощность составляет половину от номинальной - 32,5 кВт. В то же время из внешнего теплового баланса двигателя внутреннего сгорания известно, что теплота, введенная в двигатель с топливом, распределяется на три примерно равных части: одна часть - эквивалентная эффективной работе двигателя, одна часть - отданная им охлаждающей жидкости и еще одна часть - уносимая из двигателя отработавшими газами. Следовательно, порядка 32,5 кВт теплоты рассеивается в окружающее пространство с отработавшими газами. Также очевидно, что имеет место диссипация теплоты по мере движения отработавших газов от двигателя к глушителю. Таким образом, есть определенные основания полагать, что для целей обогрева пожарного насоса марки НЦПН-40/100 и других, подобного типоразмера, на среднестатистическом пожаре в низкотемпературных условиях можно укрупненно рассчитывать на тепловую мощность порядка 10 кВт.
Отсюда можно определить приращение температуры воды Δt, нагнетаемой в магистральную пожарную напорную рукавную линию:
где N - тепловая мощность отработавших газов двигателя пожарного автомобиля на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур, N=10 кВт;
τ - время, сек;
р
р
С - удельная теплоемкость воды при температуре 0°С, С=4,212 кДж/(кг*°С) [см. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973, 320 с.];
Q - расход пресной воды на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур, Q=20 л/с=20 кг/с
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°С (расчет произведен без учета рассеивания тепла наружными поверхностями пожарного насоса).
При положительных температурах окружающего воздуха (в весенне-летний период) переключающее устройство на выпускном тракте двигателя пожарного автомобиля переводится в положение «глушитель» и насос работает в штатном режиме, т.е. без подогрева.
Рубашка подогрева насоса подключена параллельно выхлопному тракту.
Применение предложенного технического решения по дополнительному подогреву пожарного насоса теплотой отработавших газов двигателя базового шасси пожарного автомобиля, либо специального отопителя, в условиях низких температур изменяет тепловой баланс пожарного насоса и позволяет интенсивнее подогревать огнетушащую жидкость внутри пожарного насоса. При использовании дополнительного подогрева насоса снизится трудоемкость работ по разборке рукавных линий, уменьшатся 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 насосом с корпусом, в котором имеется рубашка подогрева.