Способ создания газокапельной струи, установка для его осуществления и сопло для создания газокапельной струи - RU2107554C1
Код документа: RU2107554C1
Чертежи
Описание
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=Gж/Gг, Gж - массовый расход жидкости Gг- 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≥5dкр, где dкр - 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≥5dкр, где dкр - 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);
ρж - плотность жидкости (для воды ρж = 10000 кг/м2;
gmax = Gж/Gг - максимальная относительная концентрация жидкости; Gж - секундный массовый расход жидкости; Gг - секундный массовый расход газа.
Учитывая реальные предельные условия использования способа и установки, данное условие можно записать в виде gmaxPmax = 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/Pa≥5, где P - давление торможения на входе в сопло; Pa - 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≥ 5dкр, где dкр - диаметр критического сечения сопла (для кольцевого сопла dкр= dкр.max-dкр.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=Gввод/Gвоз=4,9
Gввод= 26 кг/с
- массовый
расход воды;
Gвоз = 5,3 кг/с
- массовый расход воздуха;
Tсм = 298 К - температура двухфазного потока;
L = 1500 мм - длина сопла;
dкр = 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.
Реферат
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 = Gж/Gг; Gж - массовый расход жидкости; Gг - 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 dкр, где dкр - 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.
Формула
P • g ≤ 5,7 • 108 Па;
P ≥ 5 • 105 Па,
где g = Gж/Gг;
Gж - массовый расход жидкости;
Gг - массовый расход газа.
