Спринклер (варианты) - RU2159649C1
Код документа: RU2159649C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к пожарной технике, а более конкретно - к спринклерным устройствам для локального тушения пожаров в помещениях с большим количеством возможных очагов возгорания, например в помещениях больниц, библиотек, музеев, административных зданий, универмагов, складов, гаражей. Такие устройства обычно используются в составе автоматических установок пожаротушения.
В настоящее время известны различные типы спринклеров, которые применяются в пожарной технике. Такие устройства различаются как по типам тепловых замков, используемых в их конструкции, так и по форме каналов, через которые осуществляется подача жидкости для пожаротушения.
Так, например, известны спринклеры, содержащие корпус с осевым каналом цилиндрической формы для подачи жидкости, тепловой замок с клапаном, перекрывающим выходное отверстие спринклера, и узел крепления теплового замка (патент US 5392993, B 05 B 1/26, опубл. 28.02.95). Особенностью данной конструкции спринклера является форма выполнения рассекателя потока жидкости (диффузора), установленного напротив выходного отверстия канала. Описанное в патенте US 5392993 усовершенствование направлено на создание газокапельного потока определенной пространственной конфигурации, наиболее оптимальной для тушения очага пожара, а также на изменение размеров капель в генерируемом потоке и их определенное распределение по размерам в генерируемом потоке. Однако это техническое решение отличается сложной конструкцией и ограниченными возможностями.
Известны также и другие технические решения, среди которых можно отметить спринклер, раскрытый в патенте US 4800961 (A 62 C 37/10, опубл. 31.01.89). Известный спринклер включает в свой состав корпус с каналом для подачи жидкости, тепловой замок с клапаном, перекрывающим выходное отверстие спринклера, и узлом крепления. Канал спринклера образован несколькими сопряженными участками различной формы и различного проходного сечения. Первый участок канала со стороны подачи жидкости представляет собой конический диффузор с углом раскрытия примерно 8o, с которым соединен второй участок в форме конического диффузора с углом раскрытия 60o. Третий участок канала имеет цилиндрическую форму, диаметр которого равен диаметру выходного сечения конического диффузора. Выходное отверстие канала диффузора образовано кольцевым выступом. Плоская поверхность кольцевого выступа, имеющего минимальный продольный размер, ориентирована перпендикулярно направлению потока жидкости в канале спринклера. Такая форма выполнения канала спринклера обеспечивает генерацию капель больших размеров за счет снижения скорости потока на выходе из канала. В результате спринклер создает газокапельный поток с требуемым для эффективного пожаротушения распределением капель жидкости по размерам. Большие капли концентрируются в центральной части потока, которая непосредственно используется для гашения пламени. Капли относительно малого размера концентрируются в периферийной части газокапельного потока для снижения температуры дымового газа или охлаждения окружающей среды.
Описанная конструкция спринклера в целом позволяет сократить непроизводительный расход жидкости. Однако часть энергозатрат на генерацию газокапельного потока непроизводительно расходуется при торможении периферийной части потока жидкости на цилиндрическом участке канала перед кольцевым выступом.
Наиболее близким аналогом первого варианта изобретения является описанный в авторском свидетельстве СССР N 643162 (A 62 C 37/12, опубл. 27.01.79) спринклер, содержащий корпус с каналом для подачи жидкости, тепловой замок с клапаном, перекрывающим выходное отверстие спринклера, и узел крепления теплового замка. Канал спринклера образован участком цилиндрической формы, соединенным с участком, выполненным в форме конического диффузора. Однако в данной конструкции не оптимизированы размеры и конфигурация канала спринклера, что необходимо для обеспечения эффективного распыления жидкости над очагом пожара. В связи с этим известный спринклер не позволяет генерировать равномерный мелкодисперсный газокапельный поток жидкости с высокой кинетической энергией капель у поверхности очага пожара.
Наиболее близким аналогом второго варианта изобретения является описанный в европейской заявке EP 0701842 A2 (A 62 C 37/08, опубл. 20.03.1996) спринклер, включающий в свой состав корпус с каналами для подачи жидкости, тепловой замок с клапаном, перекрывающим выходное отверстие спринклера, и узел крепления теплового замка. Один из каналов спринклера выполнен в виде осевого канала цилиндрической формы, длина которого превышает его диаметр, а второй в виде коаксиального первому каналу кольцевого канала с винтообразными направляющими элементами. Данное техническое решение направлено на создание газокапельного потока с оптимальным размером капель и равномерным распределением в пространстве, что позволяет эффективно использовать жидкость для пожаротушения. Следует отметить, что конструкция известного спринклера не обеспечивает эффективного тушения очага пожара большой площади. В этом случае требуется увеличить плотность установки спринклеров на потолке помещения.
Патентуемое изобретение направлено на создание конструкции спринклера, с помощью которого обеспечивается генерация равномерного мелкодисперсного газокапельного потока с высокой кинетической энергией капель и с равномерным пространственным распределением. Решение этой задачи позволяет увеличить площадь орошения с заданной интенсивностью и кинетической энергией капель, необходимой для эффективного тушения очага пожара. Иными словами, изобретение направлено на увеличение защищаемой от пожара площади. Кроме того, изобретение направлено на снижение энергозатрат и расхода жидкости для генерации газокапельного потока, обладающего перечисленными преимуществами.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в спринклере, содержащем корпус с каналом для подачи жидкости, который образован участком цилиндрической формы, соединенным с участком, выполненным в форме конического диффузора, тепловой замок с клапаном и узел крепления теплового замка, согласно настоящему изобретению, длина цилиндрического участка превышает диаметр канала на этом участке, длина участка в форме конического диффузора превышает диаметр канала на цилиндрическом участке. При этом угол при вершине конуса, образующего поверхность конического диффузора, составляет от 10o до 50o.
Длина цилиндрического участка преимущественно не превышает трех диаметров канала на этом участке.
Узел крепления теплового замка может быть выполнен в виде дужек, охватывающих тепловой замок.
Достижение указанного технического результата обеспечивается также за счет того, что в другом варианте конструкции спринклера, в состав которого входит корпус с каналами для подачи жидкости, один из которых выполнен в виде осевого канала цилиндрической формы, длина которого превышает его диаметр, а второй в виде коаксиального первому каналу кольцевого канала с винтообразными направляющими элементами, тепловой замок с клапаном и узел крепления теплового замка, согласно настоящему изобретению, выходное отверстие спринклера образовано отверстием осевого канала цилиндрической формы и удаленным от последнего в радиальном направлении отверстием кольцевого канала с винтообразными направляющими элементами.
Диаметр отверстия осевого канала цилиндрической формы в преимущественном варианте исполнения спринклера составляет 0,2 - 0,4 от среднего диаметра отверстия кольцевого канала с винтообразными направляющими элементами.
Длина осевого канала спринклера преимущественно составляет от одного до двух его диаметров.
В предпочтительном варианте исполнения винтообразные направляющие элементы кольцевого канала спринклера выполняются в виде многозаходного шнека. Кроме того, винтообразные направляющие элементы кольцевого канала спринклера предпочтительно используются в виде четырехзаходного шнека. В этом случае обеспечивается надежное формирование сплошной конической пелены на выходе из кольцевого канала.
В наиболее предпочтительном варианте исполнения винтообразные направляющие элементы кольцевого канала спринклера выполнены в виде многозаходного шнека, угол наклона каналов которого к оси симметрии осевого канала составляет от 20o до 30o. При таких углах наклона достигается образование конического пеленообразного потока с оптимальными углами раскрытия и тангенциальными скоростями капель, при которых обеспечивается наиболее эффективное дробление пеленообразных потоков.
Узел крепления теплового замка в данном варианте исполнения спринклера также может быть выполнен в виде дужек, охватывающих тепловой замок.
Изобретение
поясняется примером конкретного выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - схематичный разрез спринклера, выполненного согласно первому варианту настоящего
изобретения (в плоскости расположения дужек);
на фиг. 2 - схематичный разрез спринклера, выполненного согласно второму варианту настоящего изобретения (в плоскости расположения дужек);
на фиг. 3 - поперечный разрез канала спринклера, изображенного на фиг. 2, по плоскости А-А.
Спринклер, выполненный согласно первому варианту изобретения (см. фиг. 1), включает в свой состав корпус 1, в верхней части которого выполнен соединительный узел для подключения к магистральному трубопроводу подачи жидкости. В корпусе 1 выполнен сквозной канал, в котором устанавливается уплотнительное кольцо 2 для крепления вставки-распылителя 3. В канале корпуса 1 расположен клапан 4 теплового замка, герметизированный уплотнением 5. Клапан 4 удерживается в исходном положении с помощью колбы 6 теплового замка, выполненной из хрупкого материала. Колба 6 зафиксирована в заданном положении с помощью установочного винта 7.
Тепловой замок обеспечивает в исходном состоянии герметизацию клапана 5, перекрывающего выходное отверстие спринклера. Узел крепления теплового замка выполнен в виде дужек 8, симметрично расположенных вокруг колбы 6 (дужки 8 охватывают тепловой замок). Такие дужки 8 могут быть либо частью корпуса 1, либо выполняются в виде отдельных элементов, закрепляемых на корпусе 1. К дужкам 8 крепится рассекатель 9 газокапельного потока (розетка).
Канал для подачи жидкости, выполненный во вставке-распылителе 3, образован участком 10 цилиндрической формы, плавно сопряженным с участком 11, выполненным в форме конического диффузора. Согласно настоящему изобретению длина цилиндрического участка 10 превышает диаметр канала на этом участке. Длина участка 11 в форме конического диффузора превышает диаметр канала на цилиндрическом участке 10. Угол при вершине конуса, образующего поверхность конического диффузора, составляет от 10o до 50o. При этом длина цилиндрического участка 10 выбирается не более трех диаметров канала на этом участке (в противном случае увеличиваются габариты спринклера без улучшения его характеристик).
Спринклер, выполненный согласно второму варианту изобретения (см. фиг. 2 и 3), содержит те же элементы конструкции, что и первый вариант исполнения (см. фиг. 1). Отличие заключается в форме выполнения вставки-распылителя 3 и соответственно выполнением каналов для подачи жидкости. В данном варианте исполнения спринклер содержит два соосных канала для подачи жидкости. Один из них образован осевым каналом 12 цилиндрической формы, длина которого превышает его диаметр. Второй канал выполнен в виде коаксиального первому каналу кольцевого канала 13 с винтообразными направляющими элементами.
Особенностью спринклера согласно второму варианту изобретения является форма и расположение его выходных отверстий. Выходное отверстие спринклера образовано отверстием осевого канала 12 цилиндрической формы и удаленным от последнего в радиальном направлении отверстием кольцевого канала 13. В конкретном примере исполнения диаметр канала 12 выбирается равным 0,2-0,4 от среднего диаметра кольцевого канала 13. Предпочтительно соотношение диаметров каналов 12 и 13 соответствует 0,3. Указанное соотношение диаметров каналов 12 и 13, образующих выходное отверстие спринклера, обусловлено оптимальным размером генерируемых капель в потоке, дальностью их распыления (кинетической энергией) и равномерностью орошения заданной площади очага пожара. Длина осевого канала 12 цилиндрической формы преимущественно выбирается от одного до двух его диаметров.
Кроме того, в конструкции спринклера во втором варианте исполнения отсутствует рассекатель 9 газокапельного потока, поскольку его функции обеспечиваются при взаимном столкновении и смешении пеленообразных потоков заданной конфигурации, которые образуются при истечении жидкости через осевой канал 12 и кольцевой канал 13.
Винтообразные направляющие элементы кольцевого канала 13 выполняются в виде многозаходного шнека. В рассматриваемом варианте исполнения спринклера винтообразные направляющие элементы кольцевого канала 13 имеют форму четырехзаходного шнека для надежного формирования сплошной пелены конической формы. Угол наклона отдельных каналов, образованных многозаходным шнеком, к оси симметрии осевого канала 12 составляет от 20o до 30o. В этом случае обеспечивается образование пеленообразного потока с оптимальными углами раскрытия и тангенциальными скоростями капель. Поперечное сечение каналов, образованных шнеком, имеет прямоугольную форму, близкую к квадрату. Размеры этих каналов выбираются в зависимости от требуемого расхода через кольцевой канал 13, который в свою очередь зависит от расхода через осевой канал 12.
Работа спринклера, конструкция которого соответствует первому варианту изобретения, осуществляется следующим образом.
Вода подается в спринклер под давлением большим, чем давление, при котором возникает кавитация (P > 0,25 МПа - для воды). Величина давления примерно составляет 1 МПа. Статическое давление на выходе из цилиндрического участка 10 падает до уровня менее, чем давление насыщенных паров воды. В результате в жидкостном потоке возникают и растут центры кавитации. При дальнейшем движении жидкости в расширяющемся канале 11 происходит формирование газокапельного потока. При этом параметры генерируемого потока зависят от угла при вершине конуса, образующего конический диффузор (участок 11). При величине угла при вершине конической поверхности, меньшей чем 10o, жидкость не отрывается от стенок конического участка 11 либо частично отрывается и при этом периодически "прилипает" то к одной, то к другой части конической стенки. Такой процесс происходит с частотой в диапазоне от 10 до 50 Гц. При величине угла, большей 10o, поток полностью отрывается от стенок канала и пространство между ними и слаборасходящейся струей (угол расходимости 1o-1,5o) заполняется воздушными вихрями (при истечении струи в воздух).
В случае, когда угол при вершине конической поверхности превышает 50o, то сопло по своим характеристикам почти не отличается от цилиндрического канала с плоской торцевой поверхностью. При этом вихри уменьшаются в своих размерах, но увеличивается частота их образования. Такие мелкотурбулентные вихри воздействуют только на поверхностные слои генерируемой струи, а ядро струи остается невозмущенным.
При выборе оптимального угла при вершине конической поверхности, образующей сопло (в диапазоне от 10o до 50o - согласно настоящему изобретению), возникают крупномасштабные вихри эжектируемого струей воздуха. Эти вихри раскачивают всю струю жидкости, которая оказывается насыщенной паром и воздухом. При выходе струи из сопла происходит схлопывание крупных газофазных образований в потоке жидкости.
В результате описанных явлений образуется насыщенная паром и воздухом струя жидкости, которая при соударении с основаниями дужек 8, с установочным винтом 7 и рассекателем 9 газокапельного потока дробится на мелкие капли. Тем самым достигается уменьшение размеров капель в газокапельном потоке при сохранении высокой кинетической энергии капель. За счет этого образуется мелкодисперсный газокапельный поток, обладающий высокой дальнобойностью. Это в целом позволяет повысить эффективность пожаротушения при использовании спринклеров с оптимизированной формой канала вставки-распылителя 3.
Данный результат проявляется только при длине цилиндрического участка канала 10 большей, чем диаметр этого участка. При меньшей длине цилиндрического участка кавитационные включения в жидкости не успевают образоваться на выходе из этого участка. Чрезмерное увеличение длины цилиндрического участка также нежелательно, так как в этом случае увеличиваются потери энергии из-за трения потока жидкости о стенки канала. Наиболее предпочтительно выбирать длину этого участка при распылении воды в диапазоне от 2 до 10 мм.
В результате проведенных испытаний было установлено, что спринклер, выполненный согласно описанному варианту исполнения, обеспечивает создание мелкодисперсных газокапельных потоков со средним размером капель 120 мкм. При этом защищаемая площадь помещения составляет 21 м2. Следует отметить, что традиционные конструкции спринклеров (например, Grinnell AM 25699) в аналогичных условиях позволяют генерировать газокапельные потоки со средним размером капель 380 мкм, а защищаемая от пожара площадь помещения не превышает 6 м2.
Аналогичным образом осуществляется работа спринклера, конструкция которого соответствует второму варианту изобретения.
При подаче воды под давлением 0,4-1,2 МПа в входной канал спринклера поток раздваивается пропорционально соотношению проходных сечений осевого канала 12 и кольцевого канала 13 с винтообразными направляющими элементами. Расход воды через кольцевой канал 13 предпочтительно составляет от 1 до 2 расходов через осевой канал 12. Проходя по винтовым прямоугольным каналам, образованным многозаходным шнеком, в частности четырехзаходного шнека, поток жидкости закручивается, приобретая тангенциальную составляющую скорости движения. Вследствие этого поток жидкости принимает на выходе из канала вставки-распылителя 3 форму полого вращающегося конуса. Толщина этого полого конуса уменьшается по мере его расширения за срезом выходного отверстия канала вставки распылителя 3.
Проходя по осевому каналу 12, жидкость истекает через его выходное отверстие в виде направленной струи, преобразуемой в газокапельный поток. Длина осевого канала 12 должна обеспечивать цилиндрическую форму струи при ее малом трении о стенки канала. Оптимальная длина канала 12 составляет от 1,5 до 2 его диаметров. Струя жидкости, истекающая из канала 12, затем соударяется с торцом установочного винта 7, установленного в основании дужек 8. Из-за этого поток резко изменяет направление и форму, превращаясь в жидкостную пелену, которая утончается в направлении от оси симметрии канала 12. Такой процесс осуществляется аналогичным образом, как и в спринклерах традиционной конструкции.
В результате образуются две высокоскоростные пелены, которые сталкиваются в непосредственной близости от корпуса. Коническая вращающаяся пелена, образующаяся при истечении жидкости из кольцевого канала 13 с винтообразными направляющими в виде четырехзаходного шнека, имеет угол расширения от 60o до 90o. Пелена, образуемая при соударении осевого потока, истекающего из канала 12 с установочным винтом 7 и дужками 8, создает пеленообразный поток с углом расширения примерно 150o.
В результате смешения этих двух потоков из-за возникающих в них возмущений образуется единый мелкодисперсный газокапельный поток. Размер капель в образованном потоке почти в два раза меньше размеров капель в каждом отдельном потоке. Это связано с тем, что на периферии обычных осесимметричных пеленообразных потоков образуются струйки жидкости. В таких потоках скорость капель жидкости резко падает в направлении истечения за счет расширения потока и трения о воздушную среду.
Тангенциальная составляющая скорости капель в образованном общем потоке, которая связана с истечением через кольцевой канал 13 с винтообразными направляющими элементами, способствует организации более равномерного потока капель. На такой поток не влияют преграды (дужки 8, установочный винт 7), расположенные вблизи места соударения потоков, так как соударение конусообразных потоков и, соответственно, формирование общего газокапельного потока происходит за пределами элементов конструкции спринклера. При столкновении и смешении потоков, истекающих через осевой 12 и кольцевой 13 каналы, образуется мелкодисперсный газокапельный поток с равномерным распределением расхода по азимуту. Размер капель в сформированном газокапельном потоке составляет от 60 до 400 мкм.
Таким образом, при использовании спринклера описанной конструкции возможно создание мелкодисперсного и равномерного в пространстве потока капель без увеличения расхода и давления жидкости. Кроме того, отпадает необходимость установки на корпусе 1 спринклера рассекателя 9 (см. фиг. 1) газокапельного потока, что в целом упрощает конструкцию и уменьшает непроизводительные потери кинетической энергии капель. При наличии такого рассекателя в конструкции спринклера увеличиваются размеры капель и снижается начальная скорость капель.
В результате проведенных испытаний было установлено, что спринклер, выполненный согласно описанному варианту исполнения, обеспечивает создание мелкодисперсных газокапельных потоков со средним размером капель 125 мкм. При этом защищаемая площадь помещения составляет 12 м2. Расход воды и давление ее подачи для спринклера, выполненного согласно описанному варианту исполнения изобретения, не превышает соответствующих параметров для спринклеров традиционной конструкции (например, Grinnell AM 25699).
Приведенные сведения подтверждают возможность достижения технического результата с помощью спринклера, выполненного согласно настоящему изобретению в различных вариантах исполнения. Изобретение обеспечивает генерацию равномерного мелкодисперсного газокапельного потока жидкости с высокой кинетической энергией и с равномерным пространственным распределением, что позволяет увеличить защищаемую от пожара площадь помещения.
Изобретение может использоваться в пожарной технике, а именно в стационарных спринклерных системах для локального тушения пожаров в помещениях с большим количеством возможных очагов возгорания. Такие системы могут использоваться в помещениях больниц, библиотек, музеев, административных зданий, универмагов, складов, гаражей. Спринклер, выполненный согласно настоящему изобретению, может применяться в составе автоматических установок пожаротушения, включающих датчики контроля и систему управления. Спринклеры описанной конструкции могут устанавливаться с помощью стандартного разъемного соединения на магистральных трубопроводах действующих систем пожаротушения взамен спринклеров устаревшей конструкции.
Реферат
Изобретение относится к пожарной технике, а более конкретно - к спринклерным устройствам для локального тушения пожаров в помещениях с большим количеством возможных очагов возгорания, например в помещениях больниц, библиотек, музеев, административных зданий, универмагов, складов, гаражей. Спринклер включает в свой состав корпус с каналом для подачи жидкости, тепловой замок с клапаном, перекрывающим выходное отверстие спринклера, и узел крепления теплового замка. В первом варианте исполнения канал спринклера образован участком цилиндрической формы, соединенным с участком, выполненным в форме конического диффузора. Для генерации равномерного мелкодисперсного газокапельного потока с высокой кинетической энергией капель и равномерным пространственным распределением длина цилиндрического участка превышает диаметр канала на этом участке, а длина участка в форме конического диффузора превышает диаметр канала на цилиндрическом участке. Угол при вершине конуса, образующего поверхность конического диффузора, составляет от 10 до 50°. Во втором варианте исполнения спринклер имеет два соосных канала для подачи жидкости. Длина осевого канала цилиндрической формы превышает его диаметр. Второй канал выполнен коаксиально первому каналу и снабжен винтообразными направляющими элементами. Выходное отверстие спринклера образовано отверстием осевого цилиндрического канала и удаленным от последнего в радиальном направлении кольцевым отверстием коаксиального канала. 2 с.п.ф-лы, 8 з.п.ф-лы, 3 ил.
