Установка для искусственнного тумана

В декабре 2021 года по итогам НИОКР был изготовлен и продемонстрирован на итоговом собрании коллектива НСТ первый аппарат для искусственного туманообразования.

Оборудование получило официальное наименование Установка НСТ ПТНД-1. ПТНД-1 расшифровывается: постановщик тумана направленного действия, модель первая.

Неофициальное название, которым окрестили аппарат, - «Ванюша», т.к. внешне он оказался сильно похожим на шестиствольный немецкий миномет времён Великой Отечественной Войны, который советские бойцы называли «Ванюшей».

Это был «конкурент» нашей «Катюши». Справедливости ради отметим, что у него было ещё два менее благообразных прозвища: «Ишак» и «Скрипуха». Но официальное наименование миномета было Nebelwerfer-41, что в переводе с немецкого на русский, - «туманомёт-41». 

Туманомёт НСТ предназначен для использования на промышленных предприятиях и строительных объектах. Решаемые задачи:

1. Понижение температуры воздуха и формирования комфортной среды пребывания человека в зоне работы промышленного оборудования, связанного с выделением большого количества тепла.
2. Пылеподавление при добыче полезных ископаемыз, при складировании, погрузке - разгрузке и перевозке сыпучих материалов, на строительных и производственных площадках, чтобы защитить персонал от пыли и не допустить перемещение облака со взвешенными частицами за пределы объекта.
3. Обеспечение технологических процессов на производстве и сельском хозяйстве, где требуется особая температурно-влажностная среда.

По физическим принципам возникновения, естественные туманы подразделяют на туманы охлаждения и туманы испарения.

В природе для тумана охлаждения требуется, чтобы воздух был изначально более тёплым, чем подстилающая поверхность, то есть та поверхность, с конторой соприкасается тёплый воздух. Это базовый принцип работы Установки НСТ ПТНД-1, которая формирует искусственный туман при изобарическом охлаждении воздуха.

ТТХ генератора тумана ПТНД-1

Основные свойства и характеристики туманомёта показаны в таблице.

Туманомёт НСТ ПТНД-1 генерирует облако искусственного тумана при изобарическом охлаждении тёплого воздуха насыщенного водяным паром.  

Туманообразующая установка по принципу охлаждения потока

По периметру дула туманомёта установлены равноудалённо 20 форсунок диаметром 0,6мм. В форсунки под высоким давлением (50 атм) подаётся равнопорционно вода. Жидкость распыляется через форсунки каплями размером не более 20мкм.

Форсунки установлены таким образом, чтобы распыляемые потоки сходились под максимально тупым углом по направлению к центральной оси ствола «пушки», примерно, на расстоянии 1м. То есть 20 единичных потоков, формируемых каждой форсункой, не перебивают друг друга, а плавно сходятся в один мощный мелко распылённый аэрозольный поток.

Но для образования тумана по принципу охлаждения, этого мало. Необходимо не только «насытить» влагой воздух, нужно, чтобы он был тёплым. Для этого вдоль ствола «орудия» внутри установлены нагревательные тэны. В казённой части «пушки» имеется вентилятор, который нагнетает воздух в ствол и выдувает его со значительным начальным ускорением.

Достаточная длина «орудия» в совокупности со скоростью истечения воздушного потока из дула, позволяет сформировать узконаправленный аэрозольный поток, который движется по траектории, заданной углом наклона орудия.

При этом воздух, проходя через ствол орудия, нагревается до температуры +20...+30 град.С. Температуру можно регулировать, управляя мощностью тэнов и скоростью вращения лопастей вентилятора.

В результате формируются два потока, которые сводятся воедино: поток аэрозоли из мелкораспыленных капель воды и поток теплого воздуха. Получается, что огромное количество капель размерами не более 20мкм насыщают тёплый поток воздуха, где вода превращается в пар.

Вся распыляемая вода должна испаряться в воздушном потоке. Для этого выполняют контроль по поверхности: влажная или сухая. Если поверхность мокрая, следовательно не все капли испаряются в струе тёплого воздуха. В таком случае имеет смысл уменьшить подачу воды на форсунки.

При удалении от дула туманомёта, происходит охлаждение и «распад» концентрированного воздушного потока (насыщенного паром) и увеличение его диаметра. Конфигурация потока на расстоянии от среза «дула пушки» (нулевая точка):

• 5м, - цилиндр, с диаметром соответствующим калибру «гладкоствольного» туманомёта, т.е. 300мм;
• 15м, - усеченный конус, где диаметр первого основания соответствует калибру туманомёта, а диаметр второго основания равен [примерно] 1500мм.

Чем дальше передвигается горячий воздушный поток, тем больше раскрывается диаметр второго основания усеченного конуса. На расстоянии 20м, это уже 2000мм. После этой точки начинается разрушение и распад потока в окружающей среде и невозможно точно определить диаметр второго основания конуса, т.к. усечённый конус теряет свою геометрию. Поэтому располагать туманомёт следует таким образом, чтобы от дула до точки, которую следует обработать / подавить и т.д. было 20м по «прямой наводке».

Если требуется обработать / подавить и т.д. объект на расстоянии более 20м, следует выбрать угол вертикальной наводки туманомёта, чтобы получить необходимую параболическую траекторию.

Так как «стрельба» осуществляется не твёрдым телом, то нет прямой зависмости, по аналогии, как при параболическом движении снаряда, направленного под углом к поверхности, как показано на рисунке.

При «стрельбе» по парабооле из туманомёта, эта схема нуждается в корректировке, так как через 20м движения, воздушный поток начинает распадаться. Направив его под углом, можно «зацепить» (достать) объект, находящийся дальше, чем 20м. Но, если при классической стрельбе, установив угол прицеливания 45 градусов к горизонту можно в два раза увеличить дальность полёта снаряда, по сравнению с прямой наводкой (угол 0 градусов), то здесь о таком говорить не приходится.

На термодинамической диаграмме процесса работы туманомёта, давление будет на графике постоянным. Очевидно, что атмосферное давление на выходе из дула Установки НСТ ПТНД-1 и на расстоянии 20м, где начинается существенная деформация воздушного потока, одинаковое, то есть имеет место изобарический процесс.

И при этом имеет место охлаждение тёплого потока воздуха, насыщенного паром, который перемещается в холодной атмосфере окружающей среды. Причем, чем дальше от дула туманомёта, тем больше распад потока (увеличение второго диаметра усечённого конуса) и, соответственно тем больше охлаждение этого потока, т.к. он перестаёт быть монолитным и плотным.

При охлаждении теплого и влажного воздуха при постоянном давлении образуется пар и появляется эффект тумана.

Физика образования тумана при охлаждении тёплого воздуха

Туманообразование будет тем интенсивнее, а сам туман тем плотнее, чем больше распылённой воды за единицу времени и больше разница между температурой воздуха, выдуваемого из Установки НСТ ПТНД-1 и воздухом окружающей среды.

Когда туманомёт по принципу охлаждения не эффективен 

Чем выше температура воздуха, тем больше воды в газообразном состоянии он способен «вместить» в себя. Именно поэтому туманомёт ПТНД-1 выдувает тёплый воздух.

Но не всегда нагрев воздуха имеет смысл. Например, если температура «забортного» воздуха будет близка к температуре воздушной струи туманомёта.

Например, летом, под солнцем, если температура +30град.С или выше. Это максимальная температура воздуха, выдуваемого туманомётом. То есть при температуре выше +30град.С нет смысла включать нагрев.

Тем не менее, даже без нагрева воздушного потока, туман будет образовываться. Почему? Потому, что воздух вокруг установки насыщен водой не на 100%, то есть он ещё способен «вместить» в себя воду в газообразномсостоянии. Для этого лишь нужно ввести в него воду и испарить её. Чем меньше капли воды, внедряемые в воздушный поток (даже без нагрева), тем лучше и быстрее они испаряются (до момента, когда влажность этого воздуха достигнет 100%).

В точке, где воздушный поток потеряет свою конфигурацию (это цель, куда наводится туманомёт), произойдет конденсация влаги с образованием тумана по принципу испарения. Интенсивность туманообразования меньше, но её можно компенсировать, увеличив время «стрельбы» по выбранной цели.

По такому принципу работает пушка от пыли НСТ ПТНД-2. По сути, это упрощённая версия ПТНД-1, так как отсутствует нагрев. Соответственно меньше энергопотребление и меньше тепловыделение.

Дальность стрельбы аппарата ПТНД-2 немного больше, т.к. при образовании тумана по принципу охлаждения, понижение температуры потока начинается уже через 5-6 метров от дула туманомёта. И с этой точки начинается формирование тумана, поэтому поток воздуха двигается, окружённый заметной белой дымкой.  

Технические решения при создании Установки НСТ ПТНД-1

При проектировании туманомёта «Ванюша» были использованы наработки, которые уже применяются в других видах оборудования, изготавливаемого компанией Новые Строительные Технологии. Для тех, кто заинтересован купить туманомёт НСТ, будет интересной и полезной такая информация.

Задача I. Распылить заданный объем жидкости без воздуха и  сформировать фокусированный поток мелкодисперсной аэрозоли.

Подобная задача уже была реализована для оборудования:

• распыление безвоздушное жидкой резины, когда поток распыляется через специальную форсунку и подбирая форсунку получаем возможность регулировать конфигурацию пятна и качество распыла.
• система промывки распылителя ППУ. Суть в том, что для очистки распылителя подаётся небольшое количество воды с моющими веществами. Вода мелкораспыленная, практически «туман».

Задача II. Быстро нагреть воздушный поток, куда внедряется мелкораспыленный поток воды.

Здесь пригодился опыт, накопленный для проточныхъ систем нагрева жидкостей и газов:

• проточные нагреватели на 220В для установок ППУ низкого давления. В зависимости от марки сырья, оптимальная температура смешивания компонентов от +20 до +30 град.С. Полиол и изоцианат, протекая через колбы проточных нагревателей, прогреваются на +15...+20 град.С за один прогон. Требуется Рабочая температура В колбе проточника буквально за 1-2 секунды полиол и изоцианат нагреваются на +15 град.С. Потребляемая мощность 1,5кВт.
• проточные нагреватели на 380В для установок ППУ высокого давления. Для данной технологии рабочая температура жидкости в диапазоне от +50 до +80 град.С. При этом производительность оборудования выше, чем для установок низкого давления. То есть нукжно нагреть большее количество жидкости до более высокой темпеоратуры. И всё это за 1-2 секунды. Поэтому мощность каждой колбы по 4,5кВт. Суммарная мощность такой системы нагрева 9кВт.

Задача III. Совместить несколько аэрозолей различной природы и переместить объединённый воздушно-жидкостной поток в заданную точку.

Здесь богатый опыт реализации смешивания и распыления в различных пистолетах:

• распылитель для набрызга стеклофибробетона. Смешиваются три потока:  распылённая цементно-песчанная смесь, распушённая стеклянная фибра и сжатый воздух.
• удочка  для нанесения жидкой резины. Сводятся воедино два безвоздушных аэрозольных потока: битумно-полимерная эмульсия на водной основе и водный раствор кальция хлористого.

Установка туманообразования - это новая продукция в ассортименте компании Новые Строительные Технологии (по состоянию на весну - лето 2022г.). Устоявшаяся и традиционная номенклатура включает в себя технологическое оборудование для строительства и ряда отраслей промышленности:

1. для напыления и заливки пенополиуретана
2. для заливки полиуретана
3. для заливки пеноизола
4. для напыления гидроизоляционной жидкой резины
5. для изготовления стеклофибробетона
6. для изготовления стеклопластика
7. для нанесения штукатурных и окрасочных составов с наполнителями
8. перистальтические насосы
9. пневматические вибраторы

Чтобы узнать больше о работе генератора тумана НСТ ПТНД1 либо спросить про другие технологии и оборудование, разработанное фирмой «Новые Строительные Технологии», выберите удобный способ коммуникации:

тел. 8 800 250-11-05 звонок бесплатный для России

+7 965 250-11-26, здесь есть Telegram, Viber, WhatsApp

e-mail: nst@poliuretan.ru

Научно-производственная компания НСТ основана в 1990 году. Проектирование, НИОКР, производство и поставки специальных машин и механизмов покупателям в России и ЕАЭС. Экспорт в страны ex-СССР и дальнего зарубежья.