РАЗРАБОТКА ВЫСОКОФОСИРОВАННОГО КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОГО ПЕНОГЕНЕРАТОРА ГАЗО(ПАРО) – МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕНЫ

АННОТАЦИЯ

Разработан высокофорсированный капиллярно-пористый пеногенератор газо (паро)- механической пены. Он содержит входной и выходной патрубки, патрубки подвода пенообразующего раствора и отвода пены, пакет пенообразующих сеток, с увеличивающимися размерами и распылителем. Для повышения производительности, улучшения характеристик пены, он снабжен капиллярной вставкой и формирующим каналом, первая из которых расположена на наружной поверхности перфорированной трубы подвода пенообразующего раствора, а второй – установлен снаружи капиллярной вставки с образованием питателя.

Ключевые слова: капиллярно-пористый, пеногенератор, распылитель, безфорсуночный.

Предлагается пеногенератор нового класса – безфорсуночный, имеющий вместо обычного пакета сеток специально оптимизированную для пеногенерации капиллярно-пористую структуру. Для этого потребовалось провести исследования внутренних характеристик процесса кипения жидкости в капиллярно-пористых структурах: вначале чистых, а потом с добавкой пенообразователя. Экспериментальные данные обобщались с помощью теории подобия с получением критериального уравнения. Безфорсуночные пеногенераторы имеют ряд особенностей: они могут использовать принцип управления энергетическими процессами, имеют пеногасящие структуры, генерировать пену с помощью барботажных процессов и подвод вместо газа электрической энергии, а также иметь специальные материалы с управляемой геометрией микроканалов.

Изобретение относится к области промышленной и станционной теплоэнергетики и предназначено для генерации двухфазных потоков в теплоэнергетических установках; может использоваться в области противопожарной техники для тушения пожара в аппаратах, зданиях и сооружениях; может быть полезным в различных отраслях народного хозяйства для пылеподавления.

Известно изобретение по а. с. СССР 1202598 А 62С 5/04, 1985, в которой содержатся входной и выходной патрубки, пакет сеток, распылитель в виде трубчатого кольца.

Недостатком устройства является низкая производительность пены, обусловленная ограниченным пропуском пенообразующего раствора через поперечное сечение пакета сеток, размешенных в трубчатом кольце. Кроме того, характеристики пены оказались невысокими, поскольку пакет стандартных металлических сеток не позволяет турбулировать и интенсифицировать процессы пеногенерации.

Известно изобретение по а. с СССР 1498511 А 62С 5/04, 1989, в котором содержится входной и выходной патрубки, патрубки подвода пенообразующего раствора и отвода пены, распылитель, пакет пенообразующих сеток в виде трубулизатора с увеличивающимися размерами ячеек сеток по ходу движения пены.

Недостатком устройства также является низкая производительность, поскольку распылитель не позволяет форсировать расход пенообразующего раствора в связи с предельными возможностями поперечного сечения пакета сеток, находящихся в трубчатом кольце. Кроме того, интенсифицирующее действие трубулизатора оказалось незначительным, т.к. течение жидкости в сечение пакета сеток неравномерное и неустойчивое, а также нет возможности управлять расходом жидкости. Поэтому характеристики пены оказались ниже ожидаемых. Однако имеется возможность повысить производительность пеногенератора и улучшить его характеристики работы.

Для повышения производительности пеногенератора и улучшения характеристик пены, пеногенератор снабжен капиллярной вставкой и формирующим каналом, первая из которых расположена на наружной поверхности перфорированной трубы подвода пенообразующего раствора, а второй установлен снаружи капиллярной вставки с образованием питателя. Кроме того, пеногенератор дополнительно содержит регулирующие пластины, установленные по обе стороны питателя, причем с обеих сторон пластины переходят в пружинный направляющий козырек, а пакет пенообразующих сеток с увеличивающимися размерами по ходу движения газа выполнен с размерами 0,4*0,55.

По сравнению с известным техническим решением в предложенном устройстве за счет применения перфорированной трубы подвода пенообразующего раствора существенно увеличивается пропуск расхода жидкости, чем через торец пакета сеток, находящимся в трубчатом кольце. Поскольку на наружной поверхности упомянутой трубы расположена капиллярная вставка, имеющая размер капилляров в десятки раз меньше, чем размер ячеек металлических сеток, то обеспечивается весьма равномерная раздача. Это позволяет существенно повысить производительность и стабильность пленок пенообразующего раствора в пакете сеток, а, следовательно, и таких характеристик, как кратность и дисперсность. Кроме того, дополнительно установленные регулирующие пластины позволяют управлять расходом раствора, а, следовательно, важнейшими внутренними характеристиками пены критический и отрывной размер пузырей, время их жизни молчания частота генерации, плотность центров образования [2,3,5]. Перечисленные величины определяют характеристики устройства: удельную пенопроизводительность, стабильность и устойчивость пены кратность и дисперсность. Оптимизация пакета сеток 0,4*0,55 позволяет снизить в газодисперсное распадение по сравнению с пакетом, сохранить гидравлическое сопротивление.

Особо отметим, что существенная интенсификация и форсировка процесса генераций пены обеспечивается наличием пружинистого направляющего козырька, который создает самопроизвольные вибрационные усилия от потока газа. Последующие, совместно с капиллярными, гравитационными и инерционными силами давления создают весьма устойчивый двухфазный многокомпонентный пульсирующий тепловой, пограничный слой, генерирующий пену с высокой производительностью и улучшенными характеристиками.

Следовательно, за счет увеличения удельной производительности и улучшения характеристик пены, снижается материалоёмкость и габариты устройства, экономится энергия по прокачке раствора и газа за счет возможности управлением процесса пеногенерации, особенно при форсированных и переменных режимах работы пеногенератора, повышается надежность и срок службы устройства.

На рис. 1 изображен пеногенератор, общий вид.

Рисунок 1. Высокоэффективный безфорсуночный капиллярно-пористый пеногенератор газо (паро) – механической пены

Пеногенератор состоит из входного 1 и выходного 2 патрубков, пакета пеногенерирующих сеток 3, выполненного из двух металлических сеток капиллярно-пористой структуры, каждая последующая сетка которой имеет возрастающий размер ячеек по направлению движения газа, соответственно 0,4*10^-3 м; 0,55*10^-3 м.

Корпус распылителя 4 включает в себя капиллярную вставку 5, расположенную на наружной поверхности перфорированной трубы 6 и формирующий канал 7, установленный снаружи капиллярной вставки 5 с образованием питателя 8 по обе стороны которого установлены пластины 9, переходящие в пружинный направляющий козырек 10.

Работает пеногенератор следующим образом. Пенообразующий раствор 13 подводится с помощью распылителя 4 к пакету пеногенерирующих сеток, выполненных с увеличивающимися размерами по ходу движения газа, с размерами 0,4*10^-3 м и 0,55*10^-3м.

Раствор транспирирует сквозь отверстия перфорированной трубы 6 через капиллярную вставку 5 и попадает в питатель 8, образованный вставкой 5 и формирующим каналом 7. Это позволяет получить большой расход пенообразующего раствора 13 и весьма равномерно перераспределять его, питая пакет сеток 3. Жидкость 13 в пакете сеток 3 начинает распределяться в виде устойчивых и стабильных пленок за счет совместного действия капиллярного, гравитационного, инерционного (по давлению) и вибрационного потенциалов. Последний возникает в результате самопроизвольного вибрирующего действия пружинного направляющего козырька 10, обтекаемого набегающим потоком газа 11 в патрубке 1 и пенного потока 12 в патрубке 2. Звуковые волны 14 активно способствуют равномерному перераспределению жидкости 13 при переходе её из капиллярной вставки 5 в пакете сеток 3 при активном управлении процессам способствуют регулирующие пластины 9. Под действием набегающего потока газа 11 в объёме и на поверхности пакета сеток 3 начинается зарождение газовых пузырей и происходит генерация двухфазного патока в виде газо-механической пены 12, которая формируется в струю с помощью насадки ( не показан) и направляется по технологическому назначению в теплоэнергетической установке, либо на очаг пожара или пыли.

Наличие капиллярной вставки 5 обеспечивает равномерную раздачу пенообразующего раствора 13 по питателю 8, причем повышенный расход раствора 13, прокачиваемого по трубе 6, создает большую удельную производительность пеногенератора. Равномерно формируемые тонкие пленки жидкости в пакете сеток обладают устойчивостью и стабильностью, что позволяет получать пену с высокими техническими парадными характеристиками (кратность, дисперсность, стабильность).

По сравнению с прототипом, за счет совместного действия капиллярного, гравитационного, инерционного и вибрационного потенциалов коэффициенты тепломассобмена интенсифируются в 1,5 раза и растет удельная производительность, что позволяет соответственно уменьшить в 1,5 раза материалоёмкость и габариты устройства, и в 2,5 раза – массу установки, сократив капитальные затраты. К тому же будет достигнута экономия энергии и раствора при переменных (за счёт капиллярной вставки 5) и повышенных режимах работы за счет управления процессом с помощью регулирующих пластин 9 и за счет оптимизационного пакета сеток 0,4*0,55. При этом упростятся условия эксплуатации и снизятся эксплуатационные расходы.

Экономический эффект от внедрения предложенного пеногенератора по сравнению с прототипом будет иметь место за счет уменьшения материалоёмкости и габаритов в 1,5 раза при росте удельной производительности, достигнутых за счет интенсификации процессов генерации двухфазного патока, массы – в 2,5 раза. При номинальном режиме работы гидравлическое сопротивление будет как в прототипе, но в сотни раз ниже, чем в форсированных генераторах, а газодинамическое сопротивление в 2,7 раз меньше чем в прототипе. Упрашение установки (нет нагревателя) приводит к сокращению эксплуатационных расходов, упрощается конструктивное оформление пеногенератора, повышается его надежность и срок службы. Обеспечение устойчивого двухфазного многокомпонентного пульсирующего слоя повышает внутренние и парадные характеристики устройства. При переменных и экстремальных режимах работы обеспечивается управление процессом пеногенерации, что дает экономию энергий при подаче газа и раствора, сберегает пенообразователь и уменьшает эксплуатационные расходы.

В целом, предложенный пеногенератор позволяет сократить затраты энергий, материалоемкость, повысить качество пены, упростить условия эксплуатации и обеспечить безопасность труда и экологическую чистоту окружающей среды (социальный эффект).

Список литературы:

1. Polyaev V., Genbach A.N., Genbach A.A., Methods of Monitoring Energy Processes // Experimental thermal and fluid scenic, International of Thermodynamics, Experimental Heat Transfer, and Fluid Mechanics. Avenue of the Americus – New York, 1995.V.10 April – P. 273-286.
2. Поляев В.М., Генбач А.А., Плотность центров парообразования и выброс капель из пористой структуры // Известие видов Машиностроение. – 1990. №9 – С.50-55.
3. Поляев В.М., Генбач А.А., Отрывной диаметр и частота отрыва паровых пузырей в пористых структурах // Вестник МГТУ, серия Машиностроение. – 1990. №1. – С.69-72.
4. Поляев В.М, Генбач А.А. Минашкин Д.В. Визуализация процессов в пористом эллиптическом теплообменнике // Известия вузов. Машиностроение. ­– 1991, №10-12. -С. 75-80.
5. Поляев В.М. Генбач А.А. Скорость роста паровых пузырей в пористых структурах // Известия видов. Машиностроение. – 1990. №10. – С. 56-61.
6. Поляев В.М., Генбач А.А. Области применения пористой системы // Известия видов. Энергетика. 1991. - №10-12. – С. 97-101.
7. Polyaev V., Genbach A. Heat Transfer in a Porous System in the presence of Both Capillary and Gravity Forces // Thermal Engineering. – M., 1993.V.40, number 7. – p/551-554.
8. Генбач А.А., Шоколаков К. Пористый пенный пылеуловитель // Поиск МОН РК. - Алматы. - №2. – 2011. – С. 266-271.
9. Генбач А.А., Кульбакина Н.В. Пылеподавление. Пеногенератор с проницаемой перегородкой // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана - №5.– 2011. – С. 85-87.
10. Генбач А.А., Генбач Н.А., Пути получения требуемой информаций при разработке капиллярно-пористых систем энергоустановок // Вестник АУЭС. – Алматы. - №2.  (21) – 2013.  – С. 12-18.
11. Генбач А.А., Генбач Н.А. Исследование пеногенератора с обогреваемой поверхностью. // Вестник АУЭС. – Алматы. – 2009. - №4. – С. 24-27.
12. Генбач А.А., Пионтковский М.С. Пористый пылегазоуловитель с управляемой геометрией микроканалов // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. – 2010. №4. С.59-61.
13. Поляев В.М., Генбач А.А., Минашкин Д.В. Процессы в пористом эллиптическом теплообменнике // Известия вузов. Машиностроение. – 1991. - №4-6. – С. 73-77.