Как получают распыленные струи
Распыленная водяная струя представляет собой массу отдельно летящих капель. Для ее получения широкое применение в современной технике нашли распыливающие устройства. Геометрическая форма потока распылённой жидкости, которая формируется с помощью распылителей, представляет собой факел распыленной струи. На струю жидкости, вытекающую из распылителя, действуют гравитационные силы, инерционные силы, силы поверхностного натяжения, вязкостные силы, а также мгновенные пульсационные силы давления, обусловленные наличием турбулентного перемешивания как в самой струе, так и в среде зоны распада.
При пожаротушении используются стволы-распылители, а в стационарных установках пожаротушения − различные оросители (спринклеры, дренчеры и т.п.).
Распыленные струи эффективнее компактных, они при меньшем расходе воды покрывают большую поверхность, не разбрасывают и не разбрызгивают горючие вещества и жидкости и способствуют большему парообразованию воды. Заданный объем воды в форме распыленной струи поглощает гораздо больше теплоты, чем тот же объем в форме компактной струи. Скорость и величина теплопоглощения факела распыленной воды зависят от степени дисперсности капель (чем больше поверхность единицы объема разбрызгиваемой воды, тем интенсивнее процесс ее испарения). Системы пожаротушения тонкораспылённой водой распыляют воду с небольшим диаметром капель (150 мкм и меньше) в виде водяного тумана.
Диаметр капель и другие параметры, характеризующие струю, зависят в основном от способа получения распыленных струй. Существует несколько способов распыления жидкости, отличающихся принципом воздействия на жидкость, среди них механический (струйные, центробежные, акустические, вращающиеся распылители), пневматический, электрический.
Струйный распылитель представляет собой цилиндрический насадок, из которого вытекает струя жидкости, распадающаяся на капли и образующая факел с малым углом при вершине. Если насадок выполнен в виде узкой щели, то при выходе из него возникает плоская веерообразная жидкая пленка. На пленке возникают отверстия (перфорации), которые увеличиваются до появления сетки, состоящей из тонких нитей. Эти нити распадаются и образуют цепочки мелких капель. В струйном распылителе ударного типа вытекающая из сопла струя жидкости соударяется с жесткой стенкой, образующаяся при этом жидкая пленка стекает со стенки, и происходит распад. Одним из вариантов струйного распылителя является распылитель с соударяющими струями. Из точки столкновения двух струй жидкость растекается радиально, образуя пленку, распадающуюся на капли.
В центробежных распылителях жидкость, получившая интенсивное вращение в камере закручивания, вытекает из отверстия в виде тонкой пленки, образующей полый конус. Пленка под влиянием окружающей газовой среды и других возмущений распадается на капли (полый факел распыленной жидкости).
В акустических распылителях пленка дробится под действием вертикальных колебаний пластинки, происходящих с ультразвуковой частотой. На поверхности слоя жидкости, подаваемой на колеблющую пластинку ультразвукового излучателя, возникают стоячие волны, и с гребней этих волн срываются капли, образующие факел.
Во вращающихся распылителях тонкая жидкая пленка, образующаяся при вращении диска или барабана, теряет устойчивость, и происходит распад.
В насадках с пневматическим распыливанием струя или пленка жидкости подводится в спутный газовый (воздушный) поток. На поверхности раздела газа и жидкости возникают неустойчивые волны, и струя (пленка) распадается на капли.
Системы электрического распыливания жидкостей нашли применение в технологических процессах (например, окраска методом распыливания).
Анализ способов распыливания жидкостей позволяет сделать следующие выводы:
- Течение жидкости перед распыливанием должно быть преобразовано в такие формы (струя, пленка), которые обладают наибольшей поверхностной энергией и поэтому являются неустойчивыми и быстро распадаются.
- Способы распыливания жидкости обусловлены потерей устойчивости течений в струях или пленках в связи с возникновением неустойчивых волн на поверхности раздела жидкости и газа.
Для оценки качества распыливающих устройств должны использоваться следующие показатели: величина напора перед насадком и расход воды, диаметры и размеры выходных отверстий насадка, формирующих струю, максимальная длина распыленной струи, угол и форма факела, средний размер капель, площадь и равномерность орошения.
Максимальная длина распыленной струи определяется диаметром выходного отверстия насадка, величиной напора, углом наклона ствола.
Угол факела, измеряемый по величине угла конусности распыла, зависит от конструкции распылителя и скорости истечения.
Тонина распыливания жидкости (дисперсность распыливания) оценивается двумя показателями: средним диаметром капель и распределением капель по размерам. Средний диаметр капель не может быть единственным показателем, характеризующим дисперсность распыла, так как для одного и того же среднего диаметра распределение по размерам может быть самое различное. Поэтому для полной характеристики тонины распыла необходимо знать распределение капель по размерам.
Площадь орошения определяется двумя показателями: длиной струи и углом факела. Это объясняется тем, что величина площади орошения непостоянна при различных условиях эксплуатации.
Практически наибольшее распространение нашли такие способы получения распыленных струй, как центробежный, пневматический и механический ударного типа.
При центробежном способе поток жидкости поступает в камеру распылителя тангенциально и, вращаясь, перемещается по направлению к выходному отверстию, находящемуся на торцовой стенке форсунки. При истечении жидкости из отверстия частицы жидкости разлетаются по прямолинейным лучам, касательным к цилиндрическим поверхностям, соосным с выходным соплом форсунки.
Центробежные распылители нашли широкое применение в теплотехнике и энергетике в устройствах для подачи топлива в камеры сгорания. В пожарной практике такие распылители применяются в генераторах высокократной пены.
При пневматическом способе распыливание струи достигается подачей воздуха или пара в выходное сечение водяной струи. Воздух подается либо под давлением, либо эжектируется, используя энергию самой струи. Распылители такого рода нашли большое применение в энергетике. В пожарной практике такие распылители используются в основном для получения пенных и газоводяных струй.
При механическом способе дробление струи происходит вследствие удара ее о преграду. Из-за своей простоты этот способ нашел особенно широкое применение в пожарной практике, например, в спринклерных и дренчерных установках пожаротушения.
Винтовой распылитель ударного действия представляет собой полый винт с переменным и изменяющимся наклоном плоскостей. Каждый виток спирали срезает с водяной струи пленку, которая, ударяясь и срываясь с плоскости, разрывается на отдельные капли. При напоре 60 - 80 м распылитель обеспечивает получение капель размером 100–200 мкм. Винтовой распылитель ударного действия (винтовой водоразбрызгиватель) применяется в пожарной практике для тушения пожаров в горных выработках и создания водяной завесы на пути распространения пожара.
Для получения распыленных струй применяют шаровые и щелевые распылители. Широкое применение находят также комбинированные распылители, в которых сочетаются сразу несколько способов распыливания воды.
