Метрология и метрологическое обеспечение
Попов С.М., адъюнкт Киселев Я. С., доктор технических наук, профессор
ДИСПЕРСНОСТЬ ВОДЫ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ПОТОКА ПЕРЕУВЛАЖНЕННОГО ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСПЫЛИТЕЛЯ
Увеличить коэффициент использования воды, как огнетушащего вещества (ОТВ), помогают технологии тонкого распыления (по зарубежной терминологии «water mist»-тонкораспыленная вода, «water fog»-водяной туман или вода аэрозольного распыла). Теоретически, коэффициент тем выше, чем меньше диаметр капель. Практика показывает, что если капли тонкораспыленной воды (ТРВ) меньше 100 мкм, они не достигают очага пожара в связи с тем, что не могут преодолеть конвективные тепловые потоки, генерируемые пламенем.
Сущность предполагаемого пожаротушения потоком переувлажненного воздуха (ПУВ) заключается в получении ТРВ со среднеарифметическим диаметром капель порядка 40 мкм, где вода аэрозольного распыла, генерируется с помощью относительно высокого напора сверхзвукового потока воздуха. Сжатый воздух разгоняется в сопле Лаваля, расположенном в пневмогидравлическом распылителе (ПГР), рис. 2. Воздух с одной стороны распыляет воду, а с другой придает ей достаточную кинетическую энергию для достижения своей цели. Пропорция вода-воздух, может регулироваться с помощью изменения расхода воды за счет сменных жиклеров в ПГР и давления воды. В результате такого распыления образуется огне-тушащая газоводянная смесь, именуемая поток ПУВ.
Распылением воды с помощью воздушного потока занимались многие исследователи (Каль-стмен, Литтей, Хинц, Лейн, Нукияма, Танасава, Битрон, Хрубецкий, Волынский и др.), [1].
Исследуя распад капель воды в стационарном воздушном потоке, Лейн нашел следующие условие распада: (и - v)2d = 6,12 • 103 (1). Исходя из этой зависимости при относительной скорости капель и воздуха, равной скорости звука, будут распадаться лишь капли диаметром > 5 мкм. Одновременно с распадом капель имеет место обратный процесс их слияния при столкновении (коалесценции).
Результаты исследований Нукиямы и Танасавы [1], говорят о содержании в факеле распыла капель самых различных размеров, (полидисперсность). Распределение описывается уравнением:
—n = axpe-bxq , (2)
dx
где dn — число капель диаметром от ( x - J до ^ x + j , (3)
a, b, p, q — коэффициенты, определяемые для каждого распылителя экспериментально, [1].
На основании результатов сотен опытов, проведенных при различных условиях, Нукияма и Танасава получили эмпирическую формулу для среднего объемно-поверхностного диаметра капель:
585
—п =-
ЛЛ0,5 ( п j0,45 ( п у,5
L
\pj
+ 597
П
1000 Пж п
В J
и - V
где и, V — скорость воздуха и жидкости, м/с;
у — поверхностное натяжение, (для класса жидкостей от 19 до 73 дин/см); р — плотность жидкости, (для 0,7-1,2 г/см3); П — вязкость жидкости, (для 0,05-0,5 нз);
(4);
Ож
и
— отношение объемных скоростей жидкости и воздуха.
Нукияма и Танасава проводили опыты на до звуковой скорости воздуха, позднее Битрон [2] доказал справедливость формулы (4) и для сверхзвуковой скорости воздуха.
Волынский [3], утверждает, что попытка Битрона использовать формулу Нукияма-Танасава, перспективна только при использовании водяных сопел в распылителе с диаметром выходного отверстия < 1,5 мм.
Проведя эксперименты, Волынский получил следующие результаты дисперсности воды при распылении в сверхзвуковом потоке по схеме рис. 1 приведенные в таб. 1.
Таб. 1
Максимальный диаметр капель, мкм Количество измеренных частиц, шт Температура тормозящего потока воздуха, К Диаметр водяного сопла, мм
30 880 271 1
Рис. 1. Способ подачи воды в поток сжатого воздуха.
М.С. Волынский в своей работе [4] описывает явление дробления капли воды в потоке воздуха, с использованием критерия Вебера Же, (критерий Вебера это отношение давления газа РГ, которое равно скоростному напору ри2 / 2 к давлению поверхностного натяжения жидкого шарика (формула Лапласа) РЖ = 48 / а, РГ / РЖ « Же = ри2а / 8).
Изучение описаний известных отечественных и зарубежных устройств и способов получения ТРВ, привело к идее использования в качестве распылителя для получения ПУВ-устройство для генерации искусственного снега [5]. На базе данного устройства был изготовлен ПГР рис. 2 для получения потока ПУВ с наиболее лучшими параметрами для тушения нефтепродуктов.
5-сопло Лаваля
сж. воздух Р=4-8 кг с/см2
3-сменные жиклеры
в кол-ве от 1 до 8,
0,5-3 мм
Рис. 2. Устройство (распылитель) для получения потока ПУВ
Работает распылитель следующим образом. Вода под давлением по патрубку 1 подается в камеру 2, где происходит стабилизация параметров водного потока. Вода, проходя через жиклеры 3, имеющие резьбовое крепление к корпусу 4 (8 шт.), грубо распыляется и поступает в смесительную камеру. Одновременно в смесительную камеру по патрубку 5, выполненную в виде сопла Лаваля, поступает сжатый газ (воздух). Струя воздуха дробит грубодис-персную воду на мелкие капли и охлаждает их. В результате такого взаимодействия формируется поток ПУВ, который направляется на очаг горения.
Пневмогидравлическое распыление происходит за счет двух ступенчатого распыла. Первая ступень распыления-гидравлическая, за счет прохождения воды под давлением через жиклеры различного диаметра. Вторая ступень-пневматическое распыление в сверхзвуковом потоке воздуха (давление 0,8 МПа), генерируемом в сопле Лаваля. При сужении трубы в направлении течения газа скорость потока возрастает, а если труба расширяется, то скорость вдоль трубы уменьшается, но это все справедливо для до звуковой скорости течения газа. Сверхзвуковой поток ведет себя противоположно до звуковому. [6].
Помимо основного распыления, сверхзвуковой поток воздуха охлаждает капли воды, за счет адиабатического расширения при прохождении сопла Лаваля [5]. Это явление улучшает огнетушащие свойства ПУВ.
Согласно теории, при температуре окружающего воздуха около 20°С, температура газа на выходе будет иметь значения от -70 до -100°С, в зависимости от давления поступающего воздуха в сопло.
Определение среднеарифметического диаметра капель при распыле ПГР производилось методом отбора проб и их измерения.
Улавливание осаждающихся капель воды происходило на сухую прямоугольную стеклянную пластину со слоем сажи около 0,5 мм. Сажа генерировалась определенным режимом работы керосиновой лампы, выше которой помещалась данная пластина на держателе.
Пластина располагалась под ПГР на радиусе удаления от центра от 0 до 2 м. Во время работы ПГР ТРВ оседала на сажу, сохраняя свою сферическую форму. Затем пластину устанавливали на полку оптического микроскопа с USB камерой DCM-130. Камера выводила информацию на ЭВМ, где изображения капель и кратеров фотографировались в компьютерной программе ScopePhoto, рис. 3. Данные фотографии (23 шт.), исследовались с помощью измерительной шкалы, в частности производился подсчет количества капель различных диаметров.
Рис. 3. Фотография капель и кратеров ТРВ с измерительной шкалой (цена деления 10 мкм).
Случайное распределение капель в пространстве является общим для данного метода подсчета. Если искать число частиц в малом счетном объеме микроскопа, то вероятность P(x) того, что счетный объем будет содержать x частиц, подчиняется закону Пуассона, [1]:
P(x )_
e(-m ]mx x!
(5);
где т — среднее число частиц в счетном объеме.
Квадратичная ошибка при счете равна 100/''п, где ^общее число подсчитываемых частиц. Подсчитывалось 2489 капель, чтобы снизить ошибку до 2% (100/'2489=2%). Среднеарифметический диаметр капель () — это сумма произведений диаметров всех
капель на их количество, деленное на их полное количество ( п^ ):
^ _ / 2 n
_ 10340°2489 _ 41,5 мкм.
Распределение частиц по их диаметрам представлено в виде гистограммы на рис. 4.
Количество капель в зависимости от их диаметра
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
-
-
1 1 1 1 г
й "Vй t? # # # I® ^ ^ ^ t® ^ n? öS li) cS лй о? ftO (S
Л) „У „U W Д) Л) лМ (U ö« л« „U |U Д) Д) AI лИ Л) А)
v v ^ v к" f v V 1? Т Т у V Т v т
Диаметр капель воды, мкм
Рис. 4. Гистограмма распределения капель по их диаметрам
На рис. 4 наглядно видно, что при среднеарифметическом диаметре капель воды 40 мкм, преобладают капли диаметром 20 мкм. Также очевидно, что на выходе из ПГР образуется полидисперсный поток, с каплями диаметром менее 10 и более 300 мкм. Капли менее 10 мкм не приставлены на рис.4 т. к. их кинетическая энергия не позволяла оставлять кратеры (следы) на пластине с сажей. Капли более 300 мкм, вероятно, образовались в результате слипания нескольких более мелких капель, о чем предупреждал Лейн [1].
Поток ПУВ можно рекомендовать для тушения вязких нефтепродуктов (температура вспышки более 90 0С), в виду того, что капли менее 50 мкм будут полностью испаряться в пламенной зоне, а капли до 300 мкм в верхнем слое нефтепродукта, активно снижая температуру очага.
Коэффициент использования воды при тушении потоком ПУВ будет приближаться к максимальному значению (~1).
На следующем этапе исследования, необходимо практическое подтверждение эффективности, посредством проведения экспериментов по тушению вязких нефтепродуктов потоком ПУВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грин Х, Лейн В. Аэрозоли-пыли, дымы и туманы. Х. Грин, В. Лейн Издательство «Химия», 1969.- с.428.
2. Bitron M.D. Atomization of Liguids by Supersonic Air Jets. Ind. And Eng. Chem. 1955,vol. 47, №1.
3. М.С. Волынский. Распыливание жидкости в сверхвуковом потоке: Известия Академии наук СССР, ОТН «Механика и машиностроение» №2, 1963. С.20-27.
4. Волынский М.С. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли / М.С. Волынский; Наука и прогресс - М.: Издательство «Знание» 1986.-144 с.
5. Осодоев М.Т, Божедонов А.И, Токарева Л.Г. Снегогенераторы и область их применения / М.Т., Осодоев А.И. Божедонов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.