Способ создания газокапельной струи, установка для его осуществления и сопло для создания газокапельной струи

 

Изобретение относится к технологии генерации газокапельных струй повышенной дальности полета и может использоваться в противопожарной технике, в сельском хозяйстве при орошении земель и других отраслях, связанных с необходимостью создания дальнобойных жидкостных струй. Сущность изобретения: по способу давление газа Р на входе в сопло и относительную концентрацию g жидкости в двухфазном потоке выбирают из условий P · g ≅ 5,7 · 10⁸ Па; P ≥ 5 · 10⁵ Па, где g = G_ж/G_г; G_ж - массовый расход жидкости; G_г - массовый расход газа. В качестве жидкости используют воду. Газовый поток создают с помощью, по меньшей мере, одной турбокомпрессорной установки. В установке длина L профилированного канала сопла выбрана из условия L ≥ 5 d_кр, где d_кр - диаметр критического сечения сопла. Сопло выполнено кольцевым. Система подачи газа содержит, по меньшей мере, одну турбокомпрессорную силовую установку, выходное устройство которой сообщено с входом газодинамического сопла. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии генерации газокапельных струй повышенной дальнобойности и может использоваться в противопожарной технике, в сельском хозяйстве при орошении земель и других отраслях, связанных с необходимостью создания дальнобойных газожидкостных струй.

В настоящее время известны методы создания жидкостных струй, одни из которых обеспечивают дальнобойность струи за счет увеличения давления в системе подачи жидкости к соплу, а другие - за счет использования потока газа, подаваемого в сопло установки.

Так, известен способ создания газокапельной струи [1], который заключается в использовании эжектирующего действия газовой струи, подаваемой в газоструйный насадок сопла, для разгона жидкости и увеличения дальности полета струи.

Известна также установка для создания газокапельной струи [1], которая содержит систему подачи жидкости и газодинамическое сопло с центральным газоструйным насадком.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ создания газокапельной струи [2], который включает ускорение газового потока в газодинамическом сопле, подачу в газовый поток в процессе его ускорения дисперсного потока жидкости и ускорение в сопле образованного двухфазного потока.

Наиболее близким аналогом заявленной установки является установка для создания газокапельной струи [2], которая содержит систему подачи жидкости и газа и газодинамическое сопло с камерой смешения жидкости и газа.

Наиболее близким аналогом заявленного сопла является газодинамическое сопло [2], содержащее профилированный канал и камеру смешения.

Общий недостаток указанных аналогов заключается в невозможности увеличения с помощью известных средств дальности полета газокапельной струи свыше 50 м, что необходимо, например, для тушения пожаров в многоэтажных зданиях и высотных сооружениях.

Кроме того, в известных технических решениях не определены условия формирования газокапельной струи, при которых возможно увеличить дальность полета газокапельной струи до необходимых расстояний (свыше 50 м).

В основу патентуемых изобретений положена задача по увеличению дальности полета газокапельной струи, определяющая достигаемый технический результат.

Данный технический результат достигается тем, что по способу создания газокапельной струи, включающему ускорение газового потока в газодинамическом сопле, подачу в газовый поток в процессе его ускорения дисперсного потока жидкости и ускорение в сопле образованного двухфазного потока, согласно изобретению, давление газа (P) на входе в сопло и относительную концентрацию g жидкости в двухфазном потоке выбирают из условия; P·g≅5,7·10⁸Па; P≥5·10⁵Па, где g=G_ж/G_г, G_ж - массовый расход жидкости G_г- массовый расход газа.

В качестве жидкости может использоваться вода. Целесообразно использовать для создания газового потока, по меньшей мере, одну турбокомпрессорную установку.

Указанный технический результат достигается также тем, что в установке для создания газокапельной струи, содержащей системы подачи жидкости и газа и газодинамическое сопло с камерой смешения жидкости и газа, согласно изобретению длину L- сопла выбирают из условия L≥5d_кр, где d_кр - диаметр критического сечения сопла.

Для компактирования (сжатия) газокапельной струи может использоваться кольцевое сопло.

В качестве жидкости может использоваться вода. Целесообразно, чтобы система подачи газа содержала, по меньшей мере, одну турбокомпрессорную установку, выходное устройство которой сообщено с входом газодинамического сопла.

Установка может быть выполнена мобильной, для этого она снабжается транспортным средством передвижения.

Указанный технический результат достигается также тем, что в сопле для создания газокапельной струи, содержащем профилированный канал и камеру смешения жидкости и газа, согласно изобретению длина L сопла выбирается из условия L≥5d_кр, где d_кр - диаметр критического сечения сопла.

Для компактирования газокапельной струи желательно использовать кольцевое сопло.

Вышеуказанные условия выбора давления газа и относительной концентрации жидкости в двухфазном потоке (для способа), а также длины газодинамического сопла (для установки) определены на основании анализа следующих факторов, влияющих на эффективность разгона газокапельной струи и ее скорость, определяющую дальность полета струи.

Максимальное значение давления газа и относительной концентрации жидкости выбирается из условия предельно плотной упаковки частиц жидкости в газовом потоке, при которой возможно формирование капельной жидкостной фазы в газе. Данное условие характеризуется формулой [3] где π =3,14; R - газовая постоянная газовой фазы двухфазного потока (для воздуха R = 287 Дж/кг·K); T - температура газа (для условий использования установки T = 300 K);
ρ_ж - плотность жидкости (для воды ρ_ж = 10000 кг/м²;
g_max = G_ж/G_г - максимальная относительная концентрация жидкости; G_ж - секундный массовый расход жидкости; G_г - секундный массовый расход газа.

Учитывая реальные предельные условия использования способа и установки, данное условие можно записать в виде g_maxP_max = 5,7·10⁸Па.

Из этого условия видно, что для осуществления изобретения величины P и g необходимо выбирать из условия g·P ≅5,7·10⁸Па. В этом случае возможно разогнать в газодинамическом сопле до необходимой скорости двухфазный поток, состоящий из капельной жидкостной фазы и из газа-носителя.

В то же время необходимая скорость газокапельной струи, при которой достигается дальность полета струи не менее 50 м, определена предельным уровнем давления P газа на входе в газодинамическое сопло: P≥5·10⁵Па.

При данном уровне давления обеспечивается перепад давления на сопле П = P/P_a≥5, где P - давление торможения на входе в сопло; P_a - атмосферное давление.

Как показали расчеты, при данном уровне давления газа на входе в сопло обеспечивается ускорение двухфазного (газожидкостного) потока до скорости, превышающей с учетом реального КПД сопла 60 м/с. Достигнутые значения скорости газожидкостной смеси более чем в два раза превосходят предельные значения скорости жидкостной струи, которые могут быть получены с помощью современного оборудования.

На фиг. 1 изображена функциональная схема установки для создания газокапельной струи; на фиг. 2 - сопло с камерой смешения; на фиг. 3 - сопло кольцевой формы с камерой смешения.

Способ осуществления газокапельной струи может быть осуществлен с помощью установки, функциональная схема которой представлена на фиг. 1.

Установка для создания газокапельной струи содержит систему 1 подачи жидкости (воды), систему 2 подачи газа, камеру смешения 3, являющуюся частью газодинамического сопла 4, систему 5 управления перемещением сопла 4 и транспортное средство 6 передвижения, например автомобиль, на котором размещаются системы установки. Система 2 подачи газа содержит турбокомпрессорную установку, выходное устройство которой сообщено с входом газодинамического сопла 4.

Сопло состоит из камеры 7 смешения жидкости и газа, снабженной узлами 8 подачи жидкости и узлом 9 подачи газа, и профилированного канала 10.

При использовании кольцевого сопла 4 (фиг. 3) в профилированном канале устанавливается центральное тело 11.

Длина L профилированного канала 10 сопла 4 выбирается из условия L≥5d_кр, где d_кр - диаметр критического сечения сопла (для кольцевого сопла d_кр= d_кр.max-d_кр.min).

Способ создания газокапельной струи осуществляется следующим образом.

Установка перемещается в исходное положение с помощью транспортного средства (автомобиля) 6. Сопло направляется в сторону объекта, к которому должна осуществляться подача газокапельной струи, посредством управляющего воздействия системы 5 управления перемещением сопла. Включается турбокомпрессорная установка (на фигурах не показана), являющаяся частью системы 2 подачи газа. Ускоренный воздушный поток из выходного устройства силовой установки направляется в узел 9 подачи газа камеры смешения 3, где происходит образование двухфазного потока.

Вода впрыскивается в камеру смешения 3 через узлы 8 подачи жидкости в виде отдельных струек 12, которые смешиваются с набегающим воздушным потоком, в результате чего образуется газокапельный поток. Для равномерного распыления воды в камере смешения 3 в качестве узлов подачи жидкости используются струйные форсунки.

Максимальные значения давления воздуха на входе в сопло и относительной концентрации воды в двухфазном потоке выбираются из условия предельно плотной упаковки частиц воды в воздушном потоке: g·P≅5,7·10⁸Па, где P- давление воздуха на входе в сопло; g- относительная концентрация воды в двухфазном потоке.

Кроме того, для достижения необходимой (свыше 50 м) дальности полета газокапельной струи давление воздуха на входе в сопло должно превышать 5·10⁵Па.

Для рассматриваемого примера реализации изобретения указанные параметры выбираются следующими:
P=5,5·10⁵Па;
g=G_ввод/G_воз=4,9
G_ввод= 26 кг/с - массовый расход воды;
G_воз = 5,3 кг/с - массовый расход воздуха;
T_см = 298 К - температура двухфазного потока;
L = 1500 мм - длина сопла;
d_кр = 120 мм - диаметр критического сечения сопла;
D = 50 мкм - средний диаметр капель воды в воздушном потоке.

Созданный в камере смешения 3 двухфазный поток при указанных выше параметрах разгоняется в профилированном канале 10 кольцевого сопла с центральным телом 11. Использование кольцевого сопла позволяет компактировать газокапельную струю при относительно однородном распределении капель воды по сечению струи.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что двухфазный поток, параметры которого выбираются согласно вышеуказанным условиям, разгоняется в газоданимическом сопле до скорости, при которой дальность полета газокапельной струи составляет 65 м. Таким образом, дальнобойность газокапельной струи при использовании изобретения превышает предельную дальнобойность жидкостной струи примерно в 2,5 раза.

Данные результаты подтверждают возможность осуществления заявленного способа для создания газокапельной струи, а также установки и сопла, служащих для ее реализации, и возможность в увеличении дальности полета газокапельной струи.

Предложенное изобретение может использоваться в различных отраслях техники, где требуется генерация дальнобойных газокапельных струй, дальность полета которых превышает 50 м.

Наиболее эффективно использование изобретения в противопожарной технике, особенно при тушении пожаров в труднодоступных очагах и объектах, и в сельском хозяйстве при орошении земель.

Источники информации.

1. Авт.св. СССР N 380279, кл. A 01 G 25/00, B 05 B 7/20, 1973.

2. Заявка RU N 94003528, кл. A 62 C 31/02, 1995.

3. Соц С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971.

Формула изобретения

1. Способ создания газокапельной струи, включающий ускорение газового потока в газодинамическом сопле, подачу в газовый поток в процессе его ускорения дисперсного потока жидкости и ускорение в сопле образованного двухфазного потока, отличающийся тем, что давление газа Р на входе в сопло и относительную концентрацию g жидкости в двухфазном потоке выбирают из условий
P · g ≅ 5,7 · 10⁸ Па;
P ≥ 5 · 10⁵ Па,
где g = G_ж/G_г;
G_ж - массовый расход жидкости;
G_г - массовый расход газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовый поток создают с помощью по меньшей мере одной турбокомпрессорной установки.

4. Установка для создания газокапельной струи, содержащая системы подачи жидкости и газа и газодинамическое сопло с камерой смешения жидкости и газа, отличающаяся тем, что длина L профилированного канала сопла выбрана из условия L ≥ 5d_кр, где d_кр - диаметр критического сечения сопла.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что сопло выполнено кольцевым.

6. Установка по п.5 или 4, отличающаяся тем, что в качестве жидкости использована вода.

7. Установка по пп.4 - 6, отличающаяся тем, что система подачи газа содержит по меньшей мере одну турбокомпрессорную силовую установку, выходное устройство которой сообщено с входом газодинамического сопла.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что она снабжена транспортным средством передвижения.

9. Сопло для создания газокапельной струи, содержащее профилированный канал и камеру смешения жидкости и газа, отличающееся тем, что длина L профилированного канала сопла выбрана из условия L ≥ 5d_кр, где d_кр - диаметр критического сечения сопла.

10. Сопло по пп.9, отличающееся тем, что его канал выполнен кольцевым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
Государственное предприятие Научно-исследовательский институт низких температур при Московском авиационном институте (Государственном техническом университете)

(73) Патентообладатель:
Общество с ограниченной ответственностью "КОМЕТА"

Договор № РД0013619 зарегистрирован 26.10.2006

Извещение опубликовано: 10.12.2006        БИ: 34/2006