Способ подогрева воды в пожарной автоцистерне
Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к техническим способам и средствам, предназначенным для предотвращения замерзания запаса воды, находящейся в цистерне пожарного автомобиля, при помощи тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива. Задачей изобретения является подогрев воды для предотвращения обледенения и замерзания запаса воды в цистерне пожарного автомобиля и ликвидация застойных зон в емкости в условиях низких температур окружающего воздуха при минимальных доработках конструкций агрегатов пожарных машин. Для решения этой задачи подогрев воды проводят путем перепуска воды под напором по схеме “Цистерна - насос - цистерна” через дополнительно установленную на сливном напорном патрубке диспергирующую кавитационную насадку, подавая воду под слой воды в цистерне, причем в качестве насадки используют сменную дефлекторную отражательную пластину, установленную на расстоянии 1-3 диаметра выходного отверстия насадки перпендикулярно потоку воды, а диаметр выходного отверстия насадки применяют от 25 до 75 миллиметров. 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к техническим средствам и способам, предназначенным для предотвращения обледенения и замерзания запаса воды, находящейся в цистерне пожарного автомобиля, точнее к подогреву воды, хранящейся в емкости, с использованием тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания.
Известен способ подогрева воды в емкости пожарной автоцистерны в условиях низких температур без установки дополнительных специальных агрегатов, а за счет теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания базового шасси автомобиля, реализованный посредством удлиненной выхлопной трубы смонтированной под днищем емкости (см. Автоцистерна пожарная АЦ - 4,0-40 (4331) модель 8 ВР. Руководство по эксплуатации. - Варгаши.: 1999. - 19 с.).
Недостатком такого простейшего способа подогрева является весьма низкий КПД нагрева воды, поскольку цистерна расположена в хвостовой части автомобиля и отработавшие газы двигателя базового шасси успевают охладиться, а между выпускной трубой и днищем емкости отсутствует непосредственный механический контакт - зазор составляет от 50 до 120 мм.
Известен также способ подогрева воды в емкости пожарного автомобиля посредством размещения внутри теплоизолированной цистерны электронагревателей, которые питаются от внешней сети переменного тока (см. Автомобиль аэродромный пожарный АА-40 (43105) модель 189. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 189-00-00-00 ТО. ПО “Пожмашина”. ОКБ пожарных машин. - Прилуки.: 1986.). Для осуществления способа на пожарном автомобиле имеется вилка и четырехжильный соединительный электрокабель. Управление и контроль за работой системы электроподогрева осуществляются при помощи аппаратуры (автоматических выключателей), установленной на специальном щите автомобиля.
Недостатками способа подогрева воды посредством размещения внутри цистерны электронагревателей являются сложность конструкции и зависимость от внешнего источника электропитания либо потребность в размещении на автомобиле специального электрогенератора. Монтаж на пожарном автомобиле такого дополнительного агрегата является трудновыполнимой задачей из-за отсутствия свободных объемов в его надстройке, кроме того, в застойных зонах автоцистерны возможно местное промерзание воды и ее обледенение.
Известен и способ подогрева воды в емкости автоцистерны с помощью устанавливаемого подогревателя на жидком топливе (см. Пожарная автоцистерна ЦАС К25 - Т815 KAROSA. Руководство по обслуживанию. KAROSA POLICKA. Публикация номер 014/М, 1994), конструкция которого аналогична предпусковым подогревателям двигателей внутреннего сгорания. Предпусковой подогреватель ПЖД-30 имеет теплопроизводительность 26 000 ккал/ч, т.е. обладает тепловой мощностью порядка 30,22 кВт (см. Барун В.П., Азаматов Р.А. и др. Автомобили КАМАЗ. Техническое обслуживание и ремонт. - М.: Транспорт, 1984. - 251 с.).
Недостатками способа подогрева воды посредством применения монтируемого подогревателя, работающего на жидком топливе, являются усложнение конструкции пожарного автомобиля, материальные затраты на приобретение подогревателя и его монтаж, наличие предварительных операций для осуществления запуска - розжига. Кроме того, размещение такого дополнительного агрегата приводит к ухудшению тактико-технических показателей пожарного автомобиля - к уменьшению запасов вывозимых на пожар огнетушащих веществ, либо требует увеличить массу пожарного автомобиля, что негативно сказывается на его динамических характеристиках.
Задачей изобретения является разработка способа подогрева воды для предотвращения обледенения и замерзания запаса воды в цистерне пожарного автомобиля и ликвидация застойных зон в емкости в условиях низких температурах окружающего воздуха при минимальных доработках конструкций агрегатов пожарных машин без введения в конструкцию новых габаритных и сложных специальных узлов подогрева и без снижения функциональных возможностей пожарных расчетов при выполнении боевых задач на открытом воздухе в зимнее время (нахождение пожарных автомобилей в резерве при тушении крупных и затяжных пожаров; противопожарное обеспечение проведения государственных праздников, спортивных мероприятий, а также производства ремонтных работ, технологических операций загрузки/разгрузки объектов легковоспламеняемыми горючими жидкостями, взрывчатыми веществами и т.п.). Кроме воды способ должен быть универсален и применим и для подогрева других огнегасящих жидкостей - пенообразующего раствора или раствора смачивателя.
Задача решается тем, что в конструкцию имеющегося на автомобиле штатного насосного оборудования дополнительно вводят сливную диспергирующую кавитационную отражательную насадку для подогрева воды и ее перемешивания, которую устанавливают на сливном напорном патрубке после насоса, причем перепуск воды под напором через насадку проводят под слой воды в цистерне. В результате этого в штатных рабочих режимах проводят многократную долговременную рециркуляцию (принудительный перепуск) потока воды по кругу: цистерна - пожарный насос автоцистерны – насадка - цистерна, приводящую к повышению температуры воды в емкости автоцистерны за счет двухступенчатого нагрева - гидродинамического в насосе и кавитационного при проходе через насадку, при этом температуру подогрева воды регулируют временем перепуска, ориентировочно от 45 до 120 минут работы насоса на подогрев, причем диаметр выходного отверстия насадки устанавливают от 25 до 75 мм, а в диспергирующей кавитационной насадке используют дефлекторную отражательную пластину, установленную на расстоянии от 1 до 3 диаметров выходного отверстия насадки и перпендикулярно потоку воды, а циркуляцию воды при прогреве проводят при напоре насоса от 1,5 до 3,0 ати, причем диспергирующая кавитационная насадка выполнена сменной.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема подключения гидравлического оборудования к центробежному насосу экспериментальной установки на базе пожарной автоцистерны. На фиг.2 представлены в виде графиков результаты практических исследований и испытаний предложенного способа в виде зависимости температуры воды в цистерне от времени подогрева и параметров насадки, где 1 - график результатов испытаний с кавитационной отражательной насадкой при диаметре выходного отверстия насадки 75 мм и напоре на насосе 1,5 ати; 2 - с кавитационной отражательной насадкой при диаметре выходного отверстия насадки 25 мм и напоре на насосе 3,0 ати; 3 - контроль, без насадки, диаметр свободного конца рукава 75 мм и напор на насосе - 1,5 ати.
Схема на фиг.1 включает автомобильную цистерну с водой 1, всасывающий патрубок 2, стационарный штатный трубопровод и задвижку 3 “из цистерны”, пожарный центробежный насос 4, коллектор с напорными задвижками левого 5 и правого бортов, стационарный штатный трубопровод и задвижку 6 “в цистерну”. Позицией 7 обозначен штатный сливной напорный патрубок, 8 - гибкий подающий рукав со сменной насадкой 9, оборудованной дефлекторной отражательной пластиной 10.
Способ осуществляют следующим образом. Перед наступлением морозного периода, когда после выезда пожарного автомобили по тревоге возможно длительное охлаждение воды в цистерне, обледенение и промерзание, проводят подготовительную работу путем установки на выходе сливной магистрали штатного насоса дополнительной диспергирующей кавитационной отражательной сменной насадки. Насадку располагают в емкости пожарной автоцистерны так, чтобы поток воды из нее активно перемешивал воду в емкости, ликвидировал застойные зоны и подавался под слой воды, но был за зоной всасывающего патрубка насоса. После установки сливной кавитационной отражательной насадки опробуют и проверяют предложенную схему работы, при которой вода из емкости автоцистерны по предусмотренному конструкцией пожарного автомобиля стационарному трубопроводу через открытую штатную задвижку “Из цистерны” поступает в работающий пожарный центробежный насос (КПД которого составляет до 60%, см. с.114, Справочное пособие водителя пожарного автомобиля. - М.: ВНИИПО, 1997. - 126 с.), где за счет внутреннего трения о рабочее колесо и стенки корпуса насоса происходит ее гидродинамический нагрев. Затем из напорного коллектора пожарного насоса с помощью открытой штатной задвижки “В цистерну” воду направляют по напорному трубопроводу обратно в емкость автоцистерны через специально установленную насадку, причем вода получает вторичный дополнительный подогрев при проходе через и благодаря кавитационной отражательной диспергирующей насадке, смонтированной на сливном патрубке, расположенном внутри цистерны пожарного автомобиля. Посредством кольцевания воды через насадку - диспергатор в течение периода от 45 до 120 минут или всего нахождения автоцистерны на открытом воздухе в условиях низких температур происходит двухступенчатый нагрев воды: сначала за счет гидродинамических эффектов в пожарном насосе, а затем непосредственно в цистерне пожарного автомобиля благодаря явлениям дробления напорного потока и кавитации вследствие размещенной на сливном патрубке кавитаторной подогревательной диспергирующей насадке.
После проведения теоретических исследований, лабораторной и экспериментально поисковой проверки предложенного способа и изготовления сменных кавитационных дефлекторных регулируемых насадок на базе Екатеринбургского филиала академии Государственной противопожарной службы МЧС России были проведены практические испытания и исследования по обоснованию основных определяющих параметров предложенного способа.
Эксперименты проводились на берегу озера Шарташ за городом Екатеринбургом, где имеется пирс для забора воды и необходимые условия для проведения испытаний.
Для практических испытаний и оценки предложенного способа использовали пожарную автоцистерну АЦ - 2,0-40 (4333)17ВР с приведенным пробегом 13000 км.
Автомобиль размещали под навесом для исключения попадания на него осадков. Гидравлическое оборудование было подключено к пожарной автоцистерне по схеме фиг.1. Цистерна автомобиля вместимостью 2000 литров была заполнена пресной водой из озера. Забор воды из цистерны 1 и заполнение ею пожарного насоса 4 марки ПН-40 УВ производился по стационарному трубопроводу через открытую штатную задвижку 3 “из цистерны” и через всасывающий патрубок 1, а слив в цистерну - с помощью армированного напорного (подающего) рукава 8 с внутренним диаметром соединительных головок 75 мм. Напор в коллекторе насоса измерялся манометром МТП-160 класса точности 1,5 с пределами измерений 1-16 ати, а разрежение – мано-вакууметром класса точности 1,5, с пределами измерения от минус 1 до 6 ати. Температуру воды в цистерне в процессе подогрева определяли термометрами манометрического типа ТКП-60/ЗМ с пределами измерения 0-120°С, класса точности 2,5. Один датчик температуры располагали на 200 мм выше дна, а другой на 200 мм ниже горловины цистерны. Датчик третьего термометра был размещен по оси всасывающего патрубка насоса. Средняя температура воды определялась как средняя арифметическая из показаний этих приборов. Температура воды (начальная То) и окружающего воздуха в экспериментах составляла соответственно 11 и 10°С.
В поисковой серии было проведено два эксперимента, причем в первом из них к свободному концу напорного рукава 8, опущенного в воду, был присоединен пожарный ствол PC-70 со свинченным спрыском - диаметр выходного отверстия пожарного ствола-насадки составил 25 мм. Для оценки влияния на генерацию тепла преобразования кинетической энергии истекающей погруженной струи воды в тепловую ствол оборудовали специально изготовленной дефлекторной кавитационной насадкой 9, имеющей отражательную пластину 10, установленную с помощью кронштейнов поперечно потоку воды на расстоянии 75 мм от конца ствола, т.е. на расстоянии 3 диаметров его выходного отверстия.
Условия второго эксперимента предусматривали контрольный вариант в виде слива воды под напором из свободного конца рукава также под слой воды в цистерне, причем без ствола, т.е. диаметр насадки - выходного отверстия напорного рукава составил 75 мм. Это была контрольная часть данного эксперимента. Кроме того, в другой части этого опыта, на расстоянии 75 мм (1 диаметр насадки) от свободного конца рукава была размещена металлическая отражательная дефлекторная пластина под прямым углом к потоку - в качестве детали кавитационной диспергирующей насадки.
Измерения температуры воды проводились через 15 минут. Напор насоса поддерживался постоянным - в первом эксперименте 3,0, а во втором - 1,5 ати. В процессе экспериментов для определения полного напора измерялись также разряжение во всасывающем патрубке насоса, а также частоты вращения вала рабочего колеса. Расходы погруженных струй в указанных условиях были определены опытным путем, посредством мерной емкости и электронного секундомера “Электроника ИТ-01”. Продолжительность каждого эксперимента составляла 2 часа (120 минут).
Обработанные результаты экспериментов приведены в таблице.
| Таблица Повышение температуры воды в цистерне при подогреве по способу рециркуляции (перепуска) по схеме “цистерна – насос - цистерна” с насадками на сливе | |||||||||
| Диаметр выходного | Напор, ати | Повышение температуры воды,°С | |||||||
| Время рециркуляции, мин. | |||||||||
| отверстия насадки, мм | 15 | 30 | 45 | 60 | 75 | 90 | 105 | 120 | |
| 25, с дефлекторной пластиной | 3,0 | 5 | 7 | 7 | 9 | 8 | 10 | 11 | 13 |
| 75, с дефлекторной пластиной | 1,5 | 5 | 7 | 10 | 12 | 15 | 17 | 18 | 19 |
| 75, без дефлектора(контроль) | 1,5 | 2 | 4 | 5 | 7 | 9 | 10 | 10 | 11 |
Дополнительный положительный эффект предложенного гидродинамического способа подогрева воды в цистерне за счет ее рециркуляции/перепуска через насос и насадку ожидается еще и в том, что в условиях низких отрицательных температур позволяет работать двигателю внутреннего сгорания пожарного автомобиля в более оптимальном нагруженном тепловом режиме т.е. без переохлаждения, следовательно, с меньшими износами и лучшей топливной экономичностью (см. Груздев Ю.И. Улучшение топливно-экономических показателей сельскохозяйственных тракторов. - Ижевск. Удмуртия, 1988. - 126 с.) т.к. при перепуске воды увеличение производительности пожарного насоса автоматически приводит к увеличению нагрузки, а следовательно, и к возрастанию мощности отбираемой спецагрегатом от силовой установки.
Все проведенные практические испытания и исследования показали работоспособность, простоту осуществления и эффективность предложенного способа подогрева воды в цистерне пожарного автомобиля путем долговременной (45-120 минут) циркуляции-перепуска ее под напором по схеме “цистерна - насос - цистерна” с использованием специальных насадок на сливе воды внутри цистерны, при напоре насоса 1,5-3,0 ати.
Установлено, что наиболее быстрый прогрев воды в цистерне (до 10°С за 45 минут работы и до 18°С за 105 минут работы) происходит при оборудовании напорного слива дефлекторными отражательными кавитационными насадками для дробления потока воды, при установке дефлектора на расстоянии от 1 до 3 диаметров насадки при диаметре насадки от 25 до 75 мм.
Другим неочевидным эффектом предложенного способа подогрева воды в емкости пожарной автоцистерны является то, что, используя в основном штатное оборудование автомобиля, только за счет установки на напорном сливном патрубке в цистерне дополнительной дробящей поток кавитационной насадки и предложенной схемы работы с заданными определенными параметрами, возможно эффективно подогревать на 10-20°С воду в емкости, обеспечить повышение функциональных возможностей оперативных расчетов на пожарных автоцистернах в осенне-зимний период эксплуатации при улучшении теплового режима работы двигателя базового шасси.
Способ подогрева воды, находящейся в цистерне, по системе перепуска через специальную насадку технически осуществим и может найти применение на пожарных автомобилях при их эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха, при этом дополнительные затраты на дооборудование пожарного автомобиля и обучение личного состава будут самыми минимальными.
Предложенный способ подогрева воды в пожарной автоцистерне может также найти практическое применение на автомобилях жилищно-коммунального хозяйства, при доставке воды для технических и бытовых нужд, как в городской, так и в сельской местности, а также при проведении спасательных и неотложных аварийно-восстановительных работ и в системе мероприятий по линии гражданской обороны.
1. Способ подогрева воды в пожарной автоцистерне, включающий использование штатного оборудования автоцистерны в штатных рабочих режимах, отличающийся тем, что подогрев воды проводят путем перепуска воды под напором по схеме цистерна - насос - цистерна через дополнительно установленную на сливном патрубке после насоса диспергирующую кавитационную насадку, причем перепуск воды под напором через насадку проводят под слой воды в цистерне.
2. Способ подогрева воды в пожарной автоцистерне по п.1, отличающийся тем, что при подогреве воды используют дефлекторную отражательную пластину, установленную на расстоянии 1-3 диаметров выходного отверстия насадки и перпендикулярно потоку воды, причем насадку выполняют сменной с диаметром выходного отверстия 25 - 75 мм.
3. Способ подогрева воды в пожарной автоцистерне по п.1. или 2, отличающийся тем, что поток воды под напором, проходящий через диспергирующую кавитационную насадку, направляют за зону всасывающего патрубка насоса.
