Кавитационный насадок пожарного ствола

КАВИТАЦИОННЫЙ НАСАДОК ПОЖАРНОГО СТВОЛА где =3,14;- плотность жидкости; Q - расход жидкости;- параметрический коэффициент размерности, равный 0,9810-2; v - коэффициент кинематической вязкости жидкости; рвн абсолютное внешнее давление за насадком. Изобретение относится к противопожарной технике, используемой для пожаротушения и ликвидации других чрезвычайных ситуаций, и может быть использовано для распыления огнетушащих средств с целью повышения дисперсности и однородности создаваемой посредством насадка струи огнетушащего состава, что по сравнению с прототипом при равном расходе жидкости позволяет достичь большей эффективности пожарного ствола при пожаротушении за счет получения в насадке мелкодисперсного огнетушащего состава. Предлагаемый кавитационный насадок характеризуется тем, что кавитирующий тракт выполнен в виде последовательно расположенных участков различной конфигурации: участка линейного сужения,характеризующегося углом конусности 15, участка сферического сужения, цилиндрического участка и конически расходящегося участка, характеризующегося углом конусности 70; причем длина каждого из участков пропорциональна произведению соответствующего коэффициента на диаметр выходного отверстия насадка, значение которого определяется следующим выражением:(71)(73) Заявитель и патентовладелец: УЧРЕЖДЕНИЕ "НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОБЛЕМ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ" МИНИСТЕРСТВА ПО ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ (BY) Изобретение относится к противопожарной технике, используемой для пожаротушения и ликвидации других чрезвычайных ситуаций, и может быть использовано для распыления огнетушащих средств с целью создания мелкодисперсной струи. Известен насадок-распылитель (патент РБ 4895, опубл. 30.12.2008) на ручной пожарный ствол, состоящий из цилиндрического корпуса, перфорированной пластины, устанавливаемой в корпусе насадка и делящей общий поток жидкости на радиально симметричные струи, при этом тонкодисперсное распыление осуществляется сеткой, закрепленной на выходном конце корпуса насадка фиксирующей гайкой. Недостатками насадка являются сложность изготовления, низкая и неоднородная дисперсность создаваемой распыленной струи жидкости. Известен насадок ручного пожарного ствола по патенту РФ 2124913, опубл. 20.01.1999, для использования при малых, средних и повышенных расходах воды с целью снижения ее входного давления при сохранении эффективности пожаротушения в режиме сплошной струи или проникающей дальнобойной рассеянной струи воды. Для этого выходной кольцевой канал насадка выполняют так, что профили выходной части внутренней стенки корпуса и поверхности выходного наконечника обтекателя имеют кривизну, возрастающую в направлении к выходу из ствола, а радиусы поперечных сечений этих поверхностей уменьшаются в том же направлении. При таком исполнении ствола в режиме дальнобойной рассеянной струи входное давление снижается в среднем в 2 раза по сравнению с известными стволами. Однако недостатком ствола с известным насадком является сложность его изготовления из-за наличия в конструкции комбинации кольцевой формы канала с рассевающим телом в форме овалоида и,следовательно, ограниченные возможности в формировании распыленной струи, в частности при создании защитного экрана (водяной завесы) и управлении факелом на выходе из насадка. Известны пожарные стволы, имеющие кольцевой выходной канал для потока воды. Кольцевой канал обычно образован выходной частью насадка ствола и выходной частью обтекателя, установленного в полости корпуса, либо стенки корпуса и закрытым концом питательной трубки, установленной в полости корпуса, например американский ручной пожарный ствол ULTIMATIC-125, патент США 5125579. Известен также пожарный ствол по патенту США 5261494, опубл. 16.11.93 г. Он имеет регулируемое кольцевое выходное отверстие для выпуска сплошной струи воды с различным диаметром струи,которое образовано конусообразным выходным наконечником обтекателя, установленного в полости корпуса ствола вдоль его оси, и профилированной выходной частью внутренней стенки корпуса. Профили наконечника и выходной части внутренней стенки корпуса имеют короткие участки сопряженных поверхностей, обеспечивающих посадку обтекателя на стенку корпуса с целью перекрытия ствола. Известные пожарные стволы с кольцевым выходным каналом позволяют изменять расход воды в широком диапазоне, а также получать кроме проникающего дальнобойного, но относительно узкого факела мелких капель воды и водяной пыли широкий туманообразный факел либо зонтообразный защитный водяной экран. Основным недостатком известных пожарных стволов с кольцевым выходным каналом является относительно случайный, с точки зрения гидродинамики, выбор профиля этого канала, имеющего вид от конического до цилиндрического либо извилистого, но не обеспечивающего возможности снижения входного давления воды без потери эффективности пожаротушения. Наиболее близким к предлагаемому является насадок по патенту РБ 3950, опубл. 30.10.2007, который выполнен в виде кольцевой трубки Вентури с криволинейным конфузором, форма кривизны которого выполнена гиперболической. Геометрические размеры насадка заданы уравнением, связывающим гидродинамические параметры струи, ее газосодержание с радиусом цилиндрической части насадка и углом конусности диффузора. Пожарный ствол с данным насадком обеспечивает подачу сплошной или распыленной (с изменяющим углом факела) струи воды или раствора поверхностно-активного вещества (ПАВ), создание водяной завесы (защитного экрана) при тушении пожара. Недостатками прототипа являются низкая и неоднородная дисперсность создаваемой распыленной струи жидкости ввиду недостаточного достижения конструкцией насадка кавитационного эффекта. Задачей изобретения является повышение дисперсности и однородности создаваемой посредством насадка струи огнетушащего состава, что, по сравнению с прототипом, при равном расходе жидкости позволяет достичь большей эффективности пожарного ствола при пожаротушении за счет получения в насадке мелкодисперсного огнетушащего состава. Достижение технической цели в соответствии с этой задачей осуществляется тем, что предлагается кавитационный насадок пожарного ствола для получения мелкодисперсного огнетушащего состава, содержащий корпус с присоединительной резьбой для пожарного ствола, проточный кавитирующий тракт,цилиндрическую выходную часть с набором сеток, в котором согласно изобретению проточный кавитирующий тракт выполнен в виде четырех участков различной конфигурации: участка L1 линейного сужения длиной L1=(7-8)d0, начальным диаметром D1=8d0 и конечным диаметром D2=(5,8-6,0)d0, углом конусности =15; участка сферического сужения длиной L2=(2,8-3,0)d0; цилиндрического участка L3=2,5d0; конически расходящегося участка длиной L4=(1,1-1,2)d0 с углом конусности =70, диаметром где d0 - диаметр выходного отверстия насадка;v - коэффициент кинематической вязкости жидкости; р вн - абсолютное внешнее давление за насадком. Сущность изобретения отражена на чертежах, где на фиг. 1 представлена схема кавитирующего тракта; на фиг. 2 - общее устройство насадка. Насадок-распылитель (устройство формирования струи) на ручной пожарный ствол содержит корпус 5 с присоединительной резьбой 6 для присоединения к пожарному стволу. В корпус заключен проточный кавитирующий тракт, обеспечивающий формирование мелкодисперсной струи пожаротушащей жидкости и включающий последовательно: участок линейного сужения 1; участок сферического сужения 2; цилиндрический участок 3; конически расходящийся участок 4. За кавитирующим трактом в корпусе насадка помещена его цилиндрическая выходная часть 7 с набором сеток, помещаемым в насадок при необходимости. Эффект распыления в системе пожаротушения может быть достигнут путем обеспечения кавитационного режима истечения жидкости из насадка и распылителя, которые и служат основными кавитирующими элементами. При возникновении кавитации в потоке жидкости происходит образование, рост и схлопывание кавитационных микрокаверн. Их схлопывание происходит по типу микровзрывов, при этом в потоке жидкости возникают знакопеременные пульсации местных давлений и скоростей, образование кумулятивных микроструй. Все эти факторы способствуют улучшению качества распыливания,образованию мелкодисперсной распыляемой среды. Возникновение кавитации в насадках пожарных стволов и распылителей, как правило, может программироваться в выходной части. Кроме того, необходимо учитывать то, что на развитие кавитации влияет внешнее противодавление на выходе из сопла. В рассматриваемом случае это атмосферное давление. В полостях струйных элементов (насадках и распылителях) протекают сложные гидродинамические явления, связанные как с геометрией струйного устройства, так и с самой рабочей средой. Точный учет всех явлений, сопутствующих работе струйного устройства, представляет практически невыполнимую задачу. Однако на основании проведенных исследований, опыта разработок и применения гидравлических струйных аппаратов авторы разработали следующий алгоритм расчета параметров струйных устройств при заданных расходе и давлении. При расчете проточной части распыляющего устройства необходимо учесть рассчитанные качества распыления среды при заданных параметрах ее истечения, а также реологические свойства распыляемой среды и далее выполнить следующие этапы и условия: 1) расчет диаметра выходного отверстия - сопла предлагаемого насадка - производится исходя из обеспечения необходимого расхода при заданном перепаде давления. В первом приближении задаемся диаметром выходного сечения сопла где- плотность жидкости;- коэффициент расхода (для распыляющих насадков на начальной стадии проектирования может быть принят =0,6[1]);p - давление; 2) расчет проточной части насадка производится исходя из минимизации гидравлических потерь. Обычной функцией, выполняемой соплами во многих струйных аппаратах, является повышение дальнобойности. В таких случаях их геометрия представляет плавно очерченный сходящийся канал и основная задача их оптимизации определена достаточно точно и заключается в нахождении максимального коэффициента расхода либо минимального коэффициента местного сопротивления. Принципиально другое положение при расчете насадков, используемых для распыливания жидкостей. Здесь в отличие от предыдущего случая весьма желательно появление неустойчивости течения на выходе из сопла, что обычно достигается резкими изломами проточного тракта [2, 3]. Последняя мера неизбежно вызывает вихреобразование и, в конечном итоге, увеличение потерь. Поэтому цель оптимизации в данном случае заключается в получении решения, когда, с одной стороны, обязательно должна присутствовать задаваемая форма неустойчивости, а с другой - коэффициент расхода насадка желательно сохранить как можно более высоким. Исходя из этого, была разработана схема проточного тракта распыливающего насадка (фиг. 1). Сужающаяся часть проточного тракта насадка выполнена в виде двух участков, участка линейного сужения 1 длиной L1 и участка 2 сферического сужения длиной L2. Цилиндрический участок 3 длиной L3 необходим для создания истечения типа "истечение через отверстие с острой кромкой". Такие условия истечения обеспечивают максимальное возмущение на выходе, так как линии тока при подходе к цилиндрическому участку имеют максимальное значения углов схождения. С другой стороны, длина цилиндрической части проточного тракта должна превышать е диаметр более чем в два раза. В противном случае образующаяся на передней кромке отрывная область (второй источник возмущений) может достигать выходного отверстия и сглаживать эффект истечения через отверстие с острой кромкой. Для расширяющейся части 4 длиной L4 должен быть принят такой угол раскрытия, при котором истечение происходит так, что жидкость не касается стенок. Это обеспечивается при угле =70. Эксперименты с высокоскоростными струями [3] показали: минимум гидравлических потерь наблюдается при углах конусности =13-15 и соотношении диаметров на входе и выходе в насадокD1/d08, поэтому в расчетах принимаем Длину линейного сужения L1 рекомендуется назначить не более чем D1 [5], поэтому принимаем длину линейного сужения равной D1, т.е. Определим конечный диаметр линейного сужения D2 Принимаем угол =15, получаем Найдем длину сферического сужения или Проточный тракт спроектирован таким образом, чтобы в его внутреннюю полость вписывалась поверхность, очерченная насадком коноидального профиля, обеспечивающего минимум гидравлических потерь. Такой профиль сужающегося насадка может быть рассчитан по формуле Витошинского [4] Считая, что входная и выходная кромки проточного тракта насадка лежат на "профиле Витошинского", определим длину цилиндрического участка. При этом известна радиальная координата искомой точки. Поскольку искомое значение x задано неявно, определим е подбирая r1, тогда длина цилиндрического участка 3 определяется как Длина расширяющейся части проточного тракта при =70 будет 3) Расчет насадка с использованием эффекта кавитации. Возникновение кавитации в рассматриваемом типе канала может происходить в цилиндрическом участке 3. Кроме того, необходимо учитывать, что на возникновение и развитие кавитации влияет внешнее противодавление на выходе из сопла. В рассматриваемом случае это атмосферное давление. Кавитационные явления в сопле насадка возникают при условии [1]p нп- давление насыщенных паров;- плотность жидкости;- средняя скорость на выходе из сопла;- угол конусности сопла. После преобразований, пренебрегая величиной давления насыщенных паров вследствие его малости по сравнению с давлением перед соплом, получим формулу для определения диаметра выходного отверстия, необходимого для достижения кавитационного эффекта при прохождении огнетушащей жидкости через участки 1-3 кавитирующего насадка:v - коэффициент кинематической вязкости жидкости; Р вн - абсолютное внешнее давление за насадком. Насадок работает следующим образом. Вода или раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ) через ручной пожарный ствол с навинченным на него посредством присоединительной резьбы 6 корпусом 5 насадка попадает на участок линейного сужения 1 кавитирующего тракта, где общий поток по уменьшающемуся диаметру конуса фокусируется на участок сферического сужения 2. Для придания струе жидкости необходимой кинетической энергии участок 1 имеет следующие параметры (фиг. 1): длина L1=(7-8)d0, начальный диаметр D1=8d0; конечный диаметр D2=(5,8-6,0)d0; где d0 - диаметр цилиндрического участка 3; угол конусности =15. С целью снижения входного давления огнетушащей жидкости диаметры поперечных сечений внутренней стенки участка 1 кавитационного тракта уменьшаются в направлении выхода из насадка, а внутренняя поверхность участка 2 сферического сужения на его длине, равной L2=(2,8-3,0)d0, выполнена с кривизной, возрастающей в направлении к выходу из ствола. При таком выполнении входной части (участки линейного и сферического сужения 1, 2) кавитирующего тракта насадка жидкость, находясь под действием центростремительной силы со стороны внутренней стенки с возрастающей кривизной участка 2, в любом осевом продольном сечении канала приобретает вращательное движение в направлении к входу в цилиндрический участок 3, образуя завихрения. Длина цилиндрического участка L3=2,5d0. Так как d0D1, то цилиндрический участок 3 не способен пропустить всю жидкость так же быстро, как она поступает на вход насадка, поэтому возрастание текущих местных скоростей вихревых потоков жидкости создают изменения в ее однородном давлении. Таким образом, на входе в участок 3 происходит понижение давления огнетушащей жидкости вследствие повышения местных скоростей в ее потоке из-за столкновения с искривляющейся поверхностью, и возникает гидродинамический кавитационный эффект,приводящий к насыщению жидкости пузырьками газа (пара) и усилению ее мелкодисперсности. Конически расходящийся участок 4 служит для формирования факела огнетушащей струи на выходе ее из насадка. Экспериментально подтверждены оптимальные параметры участка 4: длина L4=(1,1-1,2)d0 с соответствующим углом конусности =70. Окончательное тонкодисперсное распыление водяных струй происходит на наборе сеток в цилиндрической выходной части 7, установленной на выходе насадка распылителя. Источники информации 1. Бочаров В.П. Расчет и проектирование устройств гидравлической струйной техники. Киев: Техника, 1987, 127 с. 2. Девяткин Ю.Ф. Распыливание жидкости Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Машиностроение, 1977, 207 с. 3. Гиль B.C. Исследование динамики движения свободной струи капельной жидкости лазерными методами. Минск: Препринт ЦТМО АН БССР, 1971, 42 с. 4. Дэйч М.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: Энергия, 1970,384 с. 5. Пажи Д.Г. и др. Форсунки в химической промышленности. М.: Химия, 1971, 224 с. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Кавитационный насадок пожарного ствола, содержащий корпус с присоединительной резьбой для пожарного ствола, проточный кавитирующий тракт, цилиндрическую выходную часть с набором сеток, отличающийся тем, что проточный кавитирующий тракт выполнен в виде последовательно расположенных участков различной конфигурации: участка линейного сужения, характеризующегося углом конусности 15, участка сферического сужения, цилиндрического участка и конически расходящегося участка, характеризующегося углом конусности 70, причем длина каждого из участков пропорциональна произведению соответствующего коэффициента на диаметр выходного отверстия насадка, значение которого определяется следующим выражением:v - коэффициент кинематической вязкости жидкости; р вн - абсолютное внешнее давление за насадком. 2. Насадок по п.1, отличающийся тем, что участок линейного сужения имеет следующие параметры: длина от 7 до 8 раз больше диаметра d0 выходного отверстия насадка, начальный диаметр равен 8 d0,а конечный диаметр от 5,8 до 6 раз больше, чем d0. 3. Насадок по п.1, отличающийся тем, что длина участка сферического сужения от 2,8 до 3 раз больше диаметра d0 выходного отверстия насадка. 4. Насадок по п.1, отличающийся тем, что длина цилиндрического участка в 2,5 раза превышает его диаметр d0. 5. Насадок по п.1, отличающийся тем, что длина конически расходящегося участка от 1,1 до 1,2 раз больше диаметра d0 выходного отверстия насадка.