Устройство для удаления льда или предотвращения его образования и тушения пожаров на труднодоступных объектах при низких температурах окружающей среды
DEVICE FOR REMOVING ICE OR PREVENTING ITS FORMATION AND EXTINGUISHING FIRES ON HARD-TO-REACH OBJECTS AT LOW AMBIENT TEMPERATURES

Устройство относится к оборудованию для удаления льда или предотвращения его образования на труднодоступных объектах и для тушения пожаров на таких объектах при низких температурах окружающей среды. Изобретение может быть использовано в качестве техники, базирующейся на вертолете, и применяться для обработки, например, лопастей ветроэнергетических установок, кораблей, стоящих далеко от пирса, нефтяных и газовых установок, расположенных в море, электролиний расположенных в горах или тушения пожаров на объектах труднодоступных для пожарного наземного транспорта.
Известно устройство для противообледенительной обработки внешних поверхностей самолета, содержащие несколько стационарных портов, по которым проложены трубопроводы для подачи обрабатываемой жидкости через сопла на поверхность самолета (патент СССР №1297718, МПК B64D 15/02, B60S 3/04, опубл. 15.03.1987). Недостатком этого устройства является отсутствие мобильности установки.
Известно устройство для удаления снега и льда, предотвращения образования тумана и пожаротушения на мосте, патент КНР CN 210395099 (МПК E01D 19/12, Е01Н 5/00, Е01Н 13/00, А62С 31/00, А62С 37/36, опубл. 24.04.2020)
Устройство состоит из системы управления, закрытого резервуара для хранения воды, трубопровода с рядом форсунок для удаления тумана с отверстиями для разбрызгивания, направленными вверх, трубопровода с рядом форсунок с отверстиями для разбрызгивания, направленными вниз для удаления снега и льда, и расположенными над поверхностью дорожного покрытия моста. Резервуар для хранения воды термоизолирован, снабжен нагревателем с датчиками температуры и уровня жидкости, и соединен через первичный водяной насос с естественным водоемом (рекой). Трубопроводы соединены с резервуаром через электромагнитные клапаны и вторичный водяной насос, которые соединены с системой управления. Для пожаротушения на мосту дополнительно установлены гидранты, соединенные с вторичным водяным насосом. Недостатками этой установки являются: отсутствие мобильности, невозможность применения ее в труднодоступных местах, местах с отсутствием водоема с водой, наличие сложной насосной системы, трубопроводов, постоянного подогрева воды, что требует контроля и технического обслуживания.
Известна мобильная установка для противообледенительной обработки внешних поверхностей самолета конструктивно выполненная на базе автомобиля, на котором монтируется оборудование для нанесения противообледенительной жидкости. Для обработки этой жидкостью установка должна непосредственно подъехать к самолету (патент РФ №2159198, МПК B64D 15/02, B64F5/00, опубл. 20.11.2000). Установка содержит емкость для хранения противообледенительной жидкости, насос и трубопроводы с соплами. Установка снабжена подъемным механизмом с кабиной. Недостатком этой конструкции можно считать необходимость близкого контакта с обрабатываемым объектом. Кроме того, противообледенительная жидкость подается на обрабатываемую поверхность без подогрева, что является малоэффективным и требует большого количества жидкости.
Известны мобильные установки для противообледенительной обработки поверхностей летательных аппаратов (патент РФ №2204494, МПК В60Р 3/30, B64D 15/02, опубл. 20.05.2003, и патент РФ №2268200, МПК B64D 15/10, B60S 3/00, опубл. 20.01.2006). Мобильные установки выполнены на базе автомобиля с подъемным механизмом для оператора, имеющие автономные источники энергии с аппаратурой высокого давления для подачи противообледенительной жидкости по трубопроводам к соплам, емкость для хранения этой жидкости и устройство ее подогрева. Недостатками этих установок являются наличие оператора, необходимость близкого контакта установки с обрабатываемым объектом, т.е. невозможность их применения для объектов, находящихся в труднодоступных местах.
Известны составы многокомпонентных противообледенительных материалов, например, «Арктика - 200» (смесь этиленгликоля с горячей водой), ХКБ-БС (ТУ2149-071-52412574-06), ХКМ-Р (ТУ2149-004-81277120-2009), ХКНМ-Р (ТУ2149-009-812771120-2010), основными компонентами которых являются дихлорид кальция, хлорид натрия, карбамиды, ингибитор коррозии, вода. Температура начала кристаллизации этих материалов от -30°С до -40°С. Для тушения пожара применяют водные растворы со смачивателями (поверхностно-активными ионогенными веществами). Т.е. известные противогололедные и огнетушащие жидкости нельзя применять в условиях температуры окружающей среды ниже -40°С.
Известно (патент РФ № RU 2030194, МПК А62С 33/00, опубл. 10.03.1995), что тушение перегретой пароаэрозольной смесью более эффективно: достигается быстрее и требует меньшего количества воды.
Известно изобретение «Устройство для объемного тушения пожара «СПАТ», принятое за прототип, патент РФ №2090229, МПК А62С 35/00, опубликован 20.09.1997. Устройство содержит камеру сгорания с термохимическим составом и воспламенителем, соединенную последовательно с реакционной камерой, с камерой смешения и с камерой перегрева, причем камера смешения оснащена форсуночным коллектором, который посредством напорного трубопровода соединен с емкостью с огнетушащей жидкостью, содержащей газогенератор для выдавливания этой жидкости. В напорном трубопроводе имеется патрубок, в котором установлена система воспламенения термохимического состава, срабатывающая от давления огнетушащей жидкости. В качестве огнетушашей жидкости используют воду или водные растворы солей натрия, калия или аммония или их смесь. Огнетушащую жидкость в купе с термохимическим составом используют в качестве реагента для ее же перегрева и образования пароаэрозольной смеси. В качестве термохимического состава используется смесь порошков алюминия и/или магния или их сплавы с натрием или калием азотнокислым. Образующаяся в реакционной камере высокотемпературная парогазовая смесь смешивается в камере смещения с впрыскиваемой под давлением распыленной огнетушащей жидкостью, и, после камеры перегрева, полученная перегретая пароаэрозольная смесь с помощью съемного сопла выбрасывается высокоскоростной струей в зону пожара.
Пароаэрозольная струя может быть использована для удаления льда, но создаваемая выбранным в качестве прототипа устройством, пароаэрозольная струя в своем составе содержит конденсированную фазу, которая истекая из сопла, может повредить обрабатываемую поверхность. Описанное устройство, не предназначено для работы в условиях низкой температуры окружающей среды (-40°С - -50°С), без конструкторской переделки устройство нельзя разместить на стандартной подвеске вертолета.
Целью предлагаемого изобретения являются расширение функциональных возможностей устройства за счет создания возможности использования различных рабочих сред, и улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для удаления льда или предотвращения его образования и тушения пожаров на труднодоступных объектах при низких температурах окружающей среды содержащее герметичную емкость с водно-солевым раствором и газогенератором, камеру сгорания с воспламенительным устройством и сообщающиеся с ней реакционную камеру, соединенную с емкостью с водно-солевым раствором, и камеру перегрева с устройством для создания пароэрозольной струи, содержит дополнительно термоизолированную герметичную емкость с водным раствором, содержащим рабочие компоненты, и газогенератором, соединенную с помощью трубопровода с клапаном с форсуночным поясом, установленном в камере перегрева, в нижней части которой расположено устройство для создания пароаэрозольной струи, которое представляет собой форкамеру, состоящую из цилиндрического корпуса с одной стороны соединенного с корпусом камеры перегрева, имеющей на входе конический раструб с сужением в сторону форкамеры, а с другой стороны закрытый грушевидным колпаком, при этом на входе в форкамеру расположены один или несколько патрубков с коническими сходящимися насадками, направленными строго вниз по оси установки, причем герметичные емкости оснащены электроподогревателем.
4
3
3
В камере сгорания предлагается использовать заряд пиротехнического твердого топлива (ПТТ), который обеспечивает образование продуктов сгорания ПТТ нагретых до температуры 2500К. ПТТ может содержать алюминий, магний и алюминиево-магниевые сплавы. В качестве дополнительных присадок к металлу для ПТТ могут быть использованы присадки, применяемые для зарядов твердых ракетных топлив (Актуальные проблемы ракетного двигателестроения. Под ред. Д.А. Ягодникова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017). Вариант топливной композиции, удовлетворяющей в первую очередь эксплуатационным характеристикам, имеет следующий состав: магний - 72%; нитрат аммония (NHNO) или нитрат натрия (NaNO) - 25%; канифоль - 3%.
Продукты сгорания ПТТ смешиваются в реакционной камере с водно-солевым раствором, содержащим воду соли щелочных металлов (натрия, калия) или аммония или их смесь и в результате экзотермической реакции образуют парогазовую смесь, поступающую в камеру перегрева, в которой происходит смешивание парогазовой смеси с водным раствором и его перегрев с образованием пароаэрозольной смеси. В устройстве предлагается использовать водные растворы содержащие различные рабочие компоненты: для обработки ото льда-раствор с добавление противообледенительных веществ, а для тушения пожара - раствор с добавлением смачивателей, (поверхностно-активных ионогенных веществ).
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 приведена пневмогидросхема устройства.
На фиг. 3 изображено положение патрубков с коническими сходящимися насадками.
На фиг. 4 изображено строение термочехла с электронагревательными элементами.
Устройство включает в себя две герметичные термоизолированные емкости (1), каждая из которых снабжена предохранительным клапаном сброса избыточного давления (2), размещенным в ней водным раствором с рабочими компонентами (3), смонтированной внутри герметичной емкостью - цилиндрической вставкой (4) с водно-солевым раствором (5), и газогенератором на твердом топливе (6). Под нижней крышкой емкости с водным раствором с рабочими компонентами размещается термоизолированная шаровая емкость - камера перегрева (7), к корпусу которой крепятся соплами, имеющими заглушки, корпуса с размещенными последовательно камерой сгорания (8), снабженной зарядом ПТТ и воспламенительным устройством (9), и реакционной камерой с форсуночным поясом (10), содержащим струйные форсунки, объединенные кольцевым коллектором, который соединен трубопроводом с электроклапаном (11) с цилиндрической вставкой (4).
В устройстве могут находиться от двух до четырех корпусов с реакционными камерами и камерами сгорания (фиг. 2), причем корпуса расположены под углом 45° к вертикальной оси устройства и максимально приближены к герметичной емкости. Воспламенительные устройства расположены снаружи корпусов, для уменьшения их зашлаковки.
Камера перегрева содержит форсуночный пояс (12), соединенный трубопроводом (13) через электроклапан с емкостью с водным раствором с рабочими компонентами. В нижней части камеры перегрева строго по вертикальной оси устройства находится форкамера (14), представляющая собой цилиндрический корпус, с одной стороны соединенный с корпусом камеры перегрева и имеющей на входе конический раструб (15) с сужением в сторону форкамеры и с другой стороны закрытый грушевидным колпаком (16). На входе в форкамеру расположено четыре полых патрубка (17) с коническими сходящимися насадками (18), направленными строго вниз по оси установки (фиг. 3).
Емкости с водным раствором закрыты термочехлами (19), выполненными из гибкого тканого электронагревателя (20), соединенного с источником постоянного тока (на фиг. 1 и фиг. 2 условно не показан). Гибкий тканый электронагреватель закрыт с обеих сторон защитным электроизоляциоными и водоотталкивающими материалами. Термочехол фиксируется креплением. Возможно применение утепленных емкостей, выполненных из композитного материала с вмонтированными в стенки, как показано на фиг. 4, или просто вставленными в емкость электронагревательными элементами, которые соединены с источником постоянного тока.
После заправки емкости водным раствором с рабочими компонентами, а цилиндрической вставки водно-солевым раствором (на фиг. 1 и фиг. 2 системы заправки жидкостями условно не показаны), подается электропитание в термочехлы, или в корпус герметичной емкости (1), или в термонагревательные элементы, расположенные внутри герметичной емкости, что не дает понизиться температуре в емкостях (1) и (4).
При приближении к объекту подается электрический импульс на воспламенительное устройство газогенератора на твердом топливе. Продукты сгорания твердого топлива создают давление на емкостях (1) и (4).
После этого подается электрический импульс на пиропатроны воспламенительных устройств. После воспламенения ПТТ с задержкой в реакционную камеру через форсуночный пояс подается водно-солевой раствор. Состав продуктов сгорания и температура парогазовой смеси зависит от соотношения расхода водно-солевого раствора и ПТТ. Температура в реакционной камере при подаче раствора колеблется от 350 К до 2500 К. Парогазовая смесь из реакционных камер и поступает в камеру перегрева одновременно с холодным водным раствором с рабочими компонентами, который через форсуночный пояс (12) нагнетается из герметичной емкости через трубку с электроклапаном.
Механическое, тепловое и химическое взаимодействие этих потоков вызывают циркуляционное течение в камере перегрева с образованием пароаэрозольной смеси с конденсированными продуктами сгорания ПТТ, которая через конический раструб поступает в форкамеру, одновременно выравниваясь. Продукты конденсированной фазы поступают в грушевидный колпак (16), а нагретая пароаэрозольная смесь под давлением через полые патрубки (17) и конические сходящиеся насадки (18) в виде высокоскоростной струи подается на обрабатываемый объект.
Конические насадки, расположенные в крестообразных патрубках, позволяют равномерно обработать большую площадь.
Для увеличения обрабатываемой поверхности объекта устройство может быть оснащено двумя емкостями с водными растворами с рабочими компонентами. В этом случае вначале при вытеснении водного раствора с рабочими компонентами из первой емкости и водно-солевого раствора из расположенной внутри нее цилиндрической вставки задействуются две камеры сгорания. После опорожнения этих емкостей подаются электрические сигналы на перекрытие двух клапанов в трубках, соединяющих первую емкость с камерой перегрева, а цилиндрическую вставку с двумя реакционными камерами. Одновременно подается электрический сигнал на воспламенение газогенератора на твердом топливе второй емкости с водным раствором с рабочими компонентами, на воспламенение зарядов ПТТ в двух других камерах сгорания и открытие двух электроклапанов в трубках, соединяющих вторую емкость с камерой перегрева, а цилиндрическую вставку второй емкости с двумя реакционными камерами.
Предлагаемое устройство может быть использовано для обработки объектов ото льда, создаваемая устройством пароаэрозольная струя достигая поверхности объекта удаляет ледяной покров даже в условиях очень низких температур окружающего воздуха. Введение в водный раствор противообледенительных компонентов позволяет использовать устройство обработки поверхности от образования льда. Эффективно использование устройства для тушения пожаров за счет создаваемой устройством перегретой пароаэрозольной струи, а введение в водный раствор смачивателей позволяет сократить расход воды и снизить время тушения.
Обработка поверхностей объектов труднодоступных для наземного транспорта от обледенения и тушение пожаров на них может осуществляться с помощью вертолета, к которому на подвесном тросе крепится с помощью рамы предлагаемое устройство, а для электроснабжения и управления устройством к тросу крепится многожильный кабель.