ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Дендаренко Юрій Юрійович

УДК 621.838.4; 614.841.345.6:621.642.2/.3

РАДІАЛЬНІ ВОДЯНІ СТРУМЕНІ-ЕКРАНИ

ДЛЯ ПРОТИПОЖЕЖНОГО ЗАХИСТУ

05.23.16 – Гідравліка та інженерна гідрологія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Шеренков Ігор Аркадійович,

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури,

завідуючий кафедри „Безпека життєдіяльності

та інженерна екологія”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Нетюхайло Анатолій Петрович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектурим. Харків), професор кафедри водопостачання, каналізації та гідравліки;

? кандидат технічних наук, доцент Борщов Віталій Анатолійович,

Українська державна академія залізничного транспорту (м. Харків), доцент кафедри будівельної механіки та гідравліки.

Провідна установа:

Київський Національний університет будівництва та архітектури

Міністерства освіти і науки України (м. Київ).

Захист відбудеться 24 березня 2004 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий „ 21 ” лютого 2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.І. Колотило

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах під час гасіння пожеж на складах нафти і нафтопродуктів (СНН) підрозділи пожежно-рятувальної служби застосовують широкий спектр технічних засобів і тактичних прийомів. Слід зазначити, що при існуючому підході до гасіння пожеж на інженерних спорудах (ІС) СНН, і зокрема в резервуарних парках для зберігання нафти і нафтопродуктів, захист палаючого та сусідніх з ним резервуарів вертикальних сталевих (РВС) забезпечується за рахунок подавання на верхні пояси стінок компактних водяних струменів з метою інтенсивного охолодження їхніх поверхонь, що перешкоджає виникненню температурних напружень металу з наступною втратою конструктивних параметрів (несучих огороджувальних властивостей).

Внаслідок проливання великої кількості води (до 180 л/с), всередині обвалування групи РВС створюється значний шар води, який згодом не дозволяє ефективно маневрувати персоналу пожежно-рятувальної служби, а у випадку виникнення екстремальної ситуації – швидко залишити небезпечну зону. Крім того, під час охолодження РВС персонал постійно знаходиться під впливом небезпечних факторів пожежі (НФП), особливо той, що виконує задачу охолодження сусідніх РВС (через теплове випромінювання факела полум’я).

Таким чином, виникла потреба у створенні такої методики протипожежного захисту резервуарних парків СНН і, насамперед, РВС, яка передбачатиме використання певного пристрою, що за технічним рішенням одночасно відповідав би вимогам ефективного захисту резервуарів від теплового випромінювання факела полум’я та забезпечував безпеку персоналу. Застосування цього пристрою має також сприяти скороченню кількості сил, загального часу гасіння пожежі та витрат води. Для реалізації цього рішення пропонується між палаючим і сусідніми з ним РВС встановлювати радіальні водяні струмені-екрани, які мають поглинати та екранувати теплову енергію конвективного потоку.

Слід зазначити, що параметри цих водяних струменів-екранів мають бути такими, щоб під час їхнього застосування відбувалося максимальне поглинання та екранування теплового потоку.

Отже, постає потреба дослідження впливу радіальних водяних струменів-екранів у повітряному просторі на зниження інтенсивності теплового потоку, який надходить від дифузійного факела полум’я палаючого РВС з нафтопродуктом. Важливим також є дослідження характеру прогріву металевої стінки РВС і його внутрішнього середовища до температури самоспалахування пароповітряної суміші і, таким чином, визначення ефективності поглинання теплової енергії радіальним водяним струменем.

Окремо слід зазначити, що з позиції сучасних будівельних норм РВС, ємність яких не перевищує 3000 м3, автоматичними установками водяного зрошення не обладнуються, тому в роботі основна увага приділяється захисту саме цих резервуарів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає вимогам Постанови Кабінету Міністрів України від 3 квітня 1995 року № „Про затвердження Державної програми забезпечення пожежної безпеки...”, у розділі ІІ якої „Пріоритетні напрямки наукових досліджень та розробок у галузі пожежної безпеки” визначено: „Виконати комплекс науково-дослідних, проектних та дослідно-технологічних робіт, спрямованих на розвиток теорії пожежогасіння…”, а також Програмі науково-дослідної роботи за темою: „Розробити програму щодо забезпечення безпеки сільських населених пунктів та об’єктів на їх території” („Програма село”), яка затверджена начальником Головного управління Державної пожежної охорони МВС України 6 жовтня 2001 року (особиста участь автора – п. .4. додатку до календарного плану).

Мета роботи – встановлення гідравлічних параметрів і характеристик радіального водяного струменя для застосування як теплового екрана при пожежах у РВС, а також обґрунтування теплових обмежень.

Задачі дослідження:

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – незатоплені водяні струмені у повітряному просторі та використання їх для охолодження вертикальних сталевих резервуарів для зберігання нафти і нафтопродуктів і резервуар під впливом теплового потоку.

Предмет дослідження – розпилені водяні струмені та насадки для їх створення з метою захисту вертикальних сталевих резервуарів ємністю до 3000 м3 під час пожеж.

Методи дослідження – методи розв’язання нестаціонарних задач та експериментального дослідження геометричних параметрів встановлення радіального водяного струменя в лабораторії та на натурних зразках у полігонних умовах; теплофізичні методи аналізу процесів, які відбуваються під час гасіння пожеж нафтопродуктів у резервуарах; методи математичного планування експериментів та регресійний аналіз для визначення оптимальних параметрів струменеутворюючого пристрою для створення радіального водяного струменя; моделювання взаємодії елементів системи „палаючий резервуар – радіальний водяний струмінь – сусідній резервуар”; метод полігонних випробувань ефективності радіального водяного струменя.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати дозволили виготовити у виробничих умовах насадок на пожежний лафетний ствол для створення радіальних водяних струменів-екранів (НРС), який може бути використаний на існуючій колісній та гусеничній пожежній техніці основного призначення (АЦ-40(131)137, АА-40(131)139, АА-60(7310)160.01, АВ-40(375Н)Ц50Н, АТС-59 та ін.) або автономно. Запропонований новий спосіб захисту РВС дозволяє зберегти їх конструктивні параметри (несучі огороджувальні властивості) під час гасіння пожежі, скоротити витрату води, кількість персоналу, а також, одночасно з цим, підвищити рівень його безпеки. Одержані теоретичні результати дозволили встановити черговість встановлення системи водяного захисту в залежності від надлишкового вмісту нафтопродуктів, їх парів і повітря у резервуарі.

Основні результати роботи реалізовані в рамках науково-дослідної роботи, яка проводилася на підставі договору від 07.04.98 про творче співробітництво між оперативно-тактичними кафедрами Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України та Академії цивільного захисту України.

Практичні результати впроваджено у практичну діяльність Головного Управління МНС України в Черкаській області, Криворізького Державного гірничо-металургійного комбінату „Криворіжсталь” (бензольне відділення цеху уловлювання коксохімічного виробництва), в оперативно-тактичну діяльність навчальної пожежної частини Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля та у навчальний процес ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля.

Апробація роботи. Основні наукові положення дисертації доповідалися на 6 наукових та науково-практичних конференціях.

Головні положення досліджень були представлені та схвалені на 3-й Міжнародній науково-практичній конференції УкрНДІПБ „Пожежна безпека” (Київ, листопад 1997 р.); на 2-й Науково-практичній конференції КМУЦА „Безпека підприємств у надзвичайних ситуаціях. Підвищення рівня підготовки різних категорій населення, які навчаються з безпеки життєдіяльності людини” (Київ, червень 1998 р.); на Науково-практичній конференції ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля (Черкаси, червень 1998 р.); на 4-й Міжнародній науково-практичній конференції „Екологія та освіта: питання теорії і практики” (Черкаси, листопад 1998 р.); на 4-й науково-практичній конференції „Пожежна безпека-99” (Черкаси, червень 1999 р.); на спеціалізованому науково-практичному семінарі при оперативно-тактичній кафедрі ХІПБ (Харків, вересень 1999 р.), на засіданні кафедри „Безпека життєдіяльності та інженерна екологія” ХДТУБА (Харків, травень 2000 р.); на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация”, присвяченій 150-річчю пожежної служби Республіки Білорусь (Мінськ, липень 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 14 наукових статтях, з них 6 – у виданнях, що включені до переліку ВАК України, у 6 тезах доповідей на наукових та науково-практичних конференціях.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. В роботах зі співавторами здобувачу належать постановка задач, методики досліджень та аналіз результатів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 121 сторінку тексту, робота містить 13 таблиць, 47 рисунків, додатки на 54 сторінках, 135 найменувань використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір та актуальність теми, визначено мету, задачі, методи дослідження, наукову новизну та практичне значення результатів роботи.

У першому розділі „Аналітичний огляд стану науково-технічної задачі. Обґрунтування напрямку дослідження” розглянуто і проаналізовано основні типи насадків, що використовуються для формування водяних струменів з різними параметрами та гідравлічними характеристиками; проведено аналітичне порівняння можливостей застосування різноманітних насадків, що використовуються підрозділами пожежно-рятувальної служби під час теплового гідравлічного захисту фізичних об’єктів, зокрема РВС.

Ставлячи перед собою задачу захистити РВС від впливу теплового потоку за допомогою радіальних водяних струменів-екранів (водяних завіс) з метою скоротити сумарну витрату води, загальний час встановлення теплового захисту з одночасним захистом людей від небезпеки, необхідно зауважити: стволи з насадками для створення компактних водяних струменів, що застосовуються на сучасному етапі підрозділами пожежно-рятувальної служби, в даному випадку не відповідають змісту поставленої задачі через значні витрати води. Крім того, персонал пожежно-рятувальної служби в таких умовах витрачає значний час на проведення бойового розгортання та діє під постійним впливом НФП.

Водяні плівкові екрани можна створити у вигляді віялового водяного струменя, що надходить в атмосферу зі щілинного насадка спеціальної форми. Віяловий струмінь, так само як і круглий, що витікає з циліндричного насадка на стволі в атмосферу, має три характерні частини: компактну, роздроблену і краплинну. Нерозривність або суцільність потоку забезпечується тільки в компактній частині струменя. У роздробленій частині струменя відбувається його розрив на великі водяні фрагменти, суцільність струменя порушується і струмінь розширюється. У краплинній частині струменя водяний потік складається з безлічі крапель і струмінь представляє краплинно-водяний факел. Така характерна трансформація струменя розглядається в гідравліці. Причиною такої трансформації водяних струменів у повітрі є порушення стійкості руху струменя в результаті дії сил інерції і грузлих сил.

Тому, з урахуванням цих аспектів розглянутих питань задачами наступних розділів роботи є: встановити і обґрунтувати гідравлічні параметри та характеристики радіального водяного струменя для застосування як теплового екрана при пожежах у РВС.

У другому розділі „Задачі дослідження і теоретичне обґрунтування параметрів радіального водяного струменя” розв’язана нестаціонарна задача про розподілення температур у тілі вертикального сталевого резервуара з нафтопродуктом з урахуванням конвективної теплопередачі та підігріву середовища, що знаходиться всередині, обґрунтовано геометричні параметри радіального водяного струменя для конкретних умов його застосування – захисту від впливу теплового потоку РВС-3000.

Для оцінки пожежонебезпечності вертикального сталевого резервуара, в якому зберігається легкозаймиста рідина, необхідно знайти відповідь на питання нестаціонарної передачі тепла конвекцією до тіла резервуара та від нього, розподілення температур у тілі резервуара, а також підігріву середовища, яке знаходиться всередині. Цей підігрів важливий вже самий по собі, але він ще й значно впливає на величину тепловіддачі від резервуара до внутрішнього середовища.

Тому в дисертації додатково була розв’язана задача розподілення температур у стінці сусіднього з палаючим резервуара та внутрішнього середовища, що безпосередньо диктує вимоги до параметрів водяного теплозахисного екрана. Хоча ця задача має допоміжне значення, але без її розв’язання неможливо досягти основної мети дисертації.

Розподілення температур у тілі резервуара описується рівнянням

, (1)

де Т – температура; t – час; r – радіус (рис. 1); a – коефіцієнт температуропроводності. Граничними умовами задачі є

; (2)

, (3)

де ст – коефіцієнт теплопровідності матеріалу, з якого виготовлено резервуар; з, вн – коефіцієнти тепловіддачі конвекцією від навколишнього повітря до зовнішньої поверхні резервуара та від поверхні до середовища, що знаходиться всередині резервуара; Тн, Тср – температури навколишнього середовища та середовища всередині резервуара; Rз, Rвн – зовнішній та внутрішній радіуси резервуара.

Знаючи початкове розподілення температур у тілі резервуара та середовища, що знаходиться всередині, а також температуру Тн у початковий момент часу, за відомими емпіричними зв’язками знаходимо коефіцієнти тепловіддачі н, вн. Визначивши тепловий потік у бік середовища, що знаходиться всередині резервуара, визначаємо його підігрів на порівняно малому проміжкові часу та розподілення температур у стінці резервуара. На кожному часовому проміжку уточнюється визначення перерахованих функцій.

Рис. .  До визначення температур у тілі резервуара.

Рівняння (1) приведено до безрозмірного вигляду введенням перемінних

, (4)

де Т2 – характерний час, величина якого визначається так, щоб коефіцієнт при безрозмірних похідних по координаті дорівнював одиниці, внаслідок чого рівняння (1) набуває вигляду

. (5)

Рівняння (5) представляється у кінцево-різнисному вигляді

, (6)

де .

.

Система рівнянь (6) розв’язується стандартним методом прогонки. Тоді розв’язання рівняння (6) відшукується у вигляді

, (7)

де прогоночні коефіцієнти визначаються за формулами

; (8)

при і = 0 ці коефіцієнти визначаються з умови (3), записаного у кінцевих різницях

. (9)

Його розв’язуємо сумісно з рівнянням (7), записаним для вузла і = 0. В результаті одержимо

. (10)

Знаючи F0 і E0, за формулами (8) послідовно знаходимо всі прогоночні коефіцієнти аж до вузла i = N-1.

Для здійснення зворотної прогонки на початку визначалася температура у вузлі i = N. Розв’язуючи сумісно рівняння (7), записаного для i = N, і рівняння (2), представленого у кінцево-різнисному вигляді

, (11)

одержимо

. (12)

Здійснивши за формулою (7) зворотну прогонку, знайдено безрозмірні температури у всіх вузлах аж до і = 0. Таким чином, знайдено розподілення температур у шуканий момент часу на часовому крокові (n ). Метод розрахунку детально наведено в дисертації.

Коефіцієнти тепловіддачі з и вн на зовнішній і внутрішній поверхнях резервуара визначались за відомими емпіричними зв’язками, при цьому коефіцієнти в’язкості, питомі теплопровідність і теплоємність визначались при температурах, які мали місце у шарах, що знаходяться поблизу зовнішньої та внутрішньої поверхонь резервуара, і коригувалися для кожного моменту часу.

Перепади температур у випадках визначення коефіцієнтів тепловіддачі на зовнішній поверхні , а на внутрішній поверхні – , де Твн – температура внутрішнього середовища резервуара.

Результати розрахунків температур зовнішньої поверхні резервуара при різному вмісті бензину, суміші повітря з парами бензину та різним вмістом бензину приведені на рис. 2. Характерною прийнята температура на зовнішній поверхні резервуара, оскільки вона тут завжди максимальна та обумовлюється можливістю руйнування ємності.

Знаючи розподілення температур у стінці резервуара, обчислювався потік тепла крізь неї, а також підігрів середовища, що знаходиться всередині резервуара, за формулою

, (13)

де С1, С2, С3 – питома теплоємність, наприклад, повітря, бензину і сталі; G1, G2, G3 – відповідні маси.

Однак на кожному часовому проміжку величина цього підігріву змінювалась, оскільки змінюється температура на зовнішній поверхні стінки резервуара і величина коефіцієнта тепловіддачі (величина теплового потоку залежить від часу).

Рис. 2. Залежність часу досягнення температури самоспалахування бензину при товщині стінки РВС 5 мм та відносному його вмісту в ємності.

Таким чином, встановлено, що на швидкість підвищення температури внутрішнього середовища резервуара суттєво впливає %-ний вміст нафтопродукту, товщина матеріалу, з якого виготовлено резервуар, і температура самоспалахування внутрішнього середовища (для бензину А-76 ця температура дорівнює 375 °С). Розв’язання нестаціонарної теплотехнічної задачі доводить необхідність встановлення теплового (водяного) захисту РВС.

У третьому розділі „Результати експериментальних досліджень радіального водяного струменя” наведено результати експериментальних досліджень, метою яких було – перевірити правильність висновків теоретичної частини роботи та визначення гідравлічних параметрів і характеристик НРС.

Експерименти проводились у лабораторних і полігонних умовах. Для лабораторних випробувань використовувався натурний прототип НРС у масштабі М :3, для проведення експериментів у полігонних умовах – натурний зразок НРС (рис. 3).

Результати експериментів у лабораторії показано на рис. 4, з яких видно, що в зоні І температура за радіальним водяним струменем не зростає протягом 120 хв. прогрівання зони теплового впливу. Незначне підвищення температури спостерігається у зоні ІІ і не змінюється аж до моменту досягнення максимальної температури прогрівання повітря до 468 С.

Результати експериментальних досліджень у полігонних умовах підтвердили позитивні результати експерименту в лабораторії та показали, що НРС є ефективним струменеутворюючим пристроєм для створення водяних завіс і може бути застосований для захисту від впливу теплового потоку сусідніх з палаючим РВС. Температура в зоні теплової дії знижується з 300–350 °С до 20–25 °С (при температурі навколишнього середовища +10 °С), що є безпечним за умовами експлуатації РВС, які заповнені легкозаймистими та горючими рідинами.

Визначення основних гідравлічних параметрів і характеристик НРС мало за мету: перевірку міцності та герметичності НРС під гідравлічним тиском; визначення фактичної витрати води, довжини радіального водяного струменя, кута факелу розпилення води, а також якості струменя та рівномірності розподілення крапель у ньому.

Експерименти показали, що радіальний водяний струмінь є найбільш ефективним при таких параметрах сегмента розпилення води і тиску на вході в НРС Р  кПа: висота щілини h  мм; ширина щілини a  мм (рис. 5; 6).

Фактична витрата води QВ при випробуванні НРС у порівнянні з теоретичними розрахунками (рис. 7) контролювалась за допомогою витратомірного пристрою класу точності 0,3 випробувального стенду та лічильника холодної води типу ВТ, який було встановлено у підвідній лінії ствола, та хронометра.

Для насадка з параметрами сегмента розпилення води: ширина 140 мм, висота 3 мм, раціональність якого встановлена та описана у дисертації, запропонована емпірична залежність між витратою QВ і тиском Р, яка має вигляд Р ,42109Q2В. Тут витрата виражена у л/с, а тиск – у кПа. |

Рис. 3. Насадок для створення радіального водяного струменя-екрана.

Рис. 4. Залежність зміни температури зони теплового впливу до і після водяної завіси:

І – зона теплового впливу до радіального водяного струменя-екрана;

ІІ – зона теплового впливу за радіальним водяним струменем-екраном;

1 – температура зони теплового впливу до радіального водяного струменя-екрана;

2 – температура зони теплового впливу за радіальним водяним струменем-екраном.

Рис. 5. Залежність зміни довжини струменя від висоти сегмента розпилення НРС.

Рис. 6. Залежність зміни висоти струменя від висоти сегмента розпилення НРС.

Рис. 7. Залежність теоретичних та експериментальних досліджень QВР).

Одержані емпіричні залежності довжини і висоти радіального водяного струменя від ширини та висоти сегмента розпилення води у вигляді лінійних і квадратичних поліномів. Встановлено, що поліноми вигляду

, (14)

, (15)

де Х1; Х2 – висота і ширина щілини сегмента розпилення води насадка; Y1; Y2 – довжина і ширина радіального водяного струменя відповідно дають максимальне значення коефіцієнта множинної кореляції, яке складає 0,9. Подальше підвищення ступеню полінома практично не приводило до уточнення результату обчислення.

Одержані моделі нагріву резервуара дають можливість оцінити температуру матеріалу стінки резервуара в кожний момент часу, за умови, що задано значення густини теплового випромінювання.

Розглянуто випромінювання точкового джерела та його вплив на матеріал, з якого виготовлено резервуар (рис. 8).

Рис. 8. Вплив точкового джерела випромінювання на ІС СНН.

Виходячи з принципу „найбільш небезпечний варіант розвитку подій” припустимо, що бокова поверхня ємності знаходиться під впливом qmax, випромінювання падає по нормалі до поверхні і повністю поглинається. Температура визначається співвідношенням

(16)

або , (17)

де С – питома теплоємність металу, з якого виготовлена ємність, Дж/кг;

– товщина стінки, м;

– густина металу (кг/м3);

– коефіцієнт чорноти поверхні;

– стала Больцмана.

У кінцевому вигляді значення температури стінки резервуара у визначений момент часу має вигляд

, (18)

де Q – частина теплового ефекту пожежі, яка йде на випромінювання;

G0 – загальна витрата води;

r0 – радіус частинки води (r0 10-10, м);

S – площина, яку необхідно захистити, м2;

0,5 c – час перебування крапель у водяній завісі.

Загальна витрата води на створення 1 м2 водяної завіси дорівнює

, (19)

де – коефіцієнт ослаблення впливу випромінювання.

У четвертому розділі „Рекомендації щодо застосування радіальних водяних струменів під час захисту вертикальних сталевих резервуарів від термічного впливу факела полум’я” надано рекомендації щодо вибору вхідних і вихідних параметрів радіального водяного струменя-екрана та РВС з метою визначення схеми, за якою має бути встановлено систему водяного захисту.

Рис. 9. Розташування засобів створення радіальних водяних струменів-екранів

для захисту трьох РВС при трьох палаючих. | Такий вибір з набору вхідних і вихідних параметрів не єдиний. За допомогою НРС може бути вирішене широке коло досить об’ємних задач, а саме: гасіння низових лісових пожеж, створення водяних завіс для захисту окремого обладнання під час пожеж на зливально-наливних нафтових естакадах, захист нафтоналивних цистерн від дії зони теплового впливу на пожежах залізничного, морського, автодорожнього транспорту та ін. У рамках даної роботи це коло питань не розглядалось. У подальшому видається за доцільне розвинути цей науковий напрямок, зокрема, розробку математичних моделей, постановку та розв’язання на їх основі задач оптимізації та ін. Результати наступних досліджень необхідно оформити у вигляді рекомендацій щодо прийняття рішень керівником гасіння пожежі у конкретній обстановці.

На рис. 9 наведена схема розташування засобів створення радіальних водяних струменів-екранів під час захисту сусідніх з палаючими РВС при одному з найбільш небезпечних варіантів розвитку пожежі. У дисертації розглянуті різноманітні варіанти розвитку пожеж у резервуарних групах на 4-6 одиниць в обвалуванні з пожежею в 1-3 РВС.

Висновки

1. Запропоновані та експериментально досліджені системи радіальних водяних струменів-екранів, які забезпечують захист вертикальних сталевих резервуарів з нафтопродуктами від теплового впливу факела полум’я. Узагальнені результати цих досліджень і одержані емпіричні залежності, які використовуються у розрахунках пристроїв для створення радіальних водяних струменів-екранів.

2. Виконана система розрахунків, яка дозволила встановити гідравлічні параметри і характеристики насадків для створення радіальних водяних струменів-екранів. Розроблена методика їх розрахунку для струменеутворюючих пристроїв з метою мінімізації витрат води, скорочення чисельності персоналу та підвищення рівня його безпеки в умовах пожежі.

3. Розв’язана нестаціонарна задача про розподілення температур у тілі вертикального сталевого резервуара з нафтопродуктом з урахуванням конвективної теплопередачі та підігріву середовища, що знаходиться всередині. Числові дослідження, які проведені з використанням цього рішення, дозволяють встановити черговість встановлення системи водяного захисту залежно від надлишкового вмісту нафтопродуктів, їх парів і повітря у резервуарі.

4. Згідно із запропонованим у дисертаційній роботі способом водяного захисту резервуарів під час пожеж основними параметрами радіальних водяних струменів-екранів є: кут встановлення +43,5; висота над рівнем земної поверхні 2,5 м; довжина струменя 30 м; кут розпилення води 47 при стандартній відстані між резервуарами 12,6 м. Дослідами встановлено, що даний спосіб дозволяє скоротити кількість персоналу підрозділів пожежно-рятувальної служби, який залучається до створення системи водяного захисту, і витрати води в середньому в 4,5 і 4,6 раза відповідно, що на 77% та 78% менше, ніж за традиційною методикою охолодження резервуарів.

5. Встановлені та перевірені у дослідах параметри радіальних водяних струменів-екранів для захисту від дії теплового потоку вертикальних сталевих резервуарів із нафтопродуктами.

6. Розроблені раціональні схеми розташування засобів для здійснення захисту сусідніх з палаючим вертикальних сталевих резервуарів ємністю до 3000 м3 за допомогою насадків на пожежний лафетний ствол для створення радіальних водяних струменів-екранів, які враховують різноманітні варіанти розвитку пожежі групи резервуарів для зберігання нафти і нафтопродуктів на 4-6 одиниць в обвалуванні з пожежею в 1-3 РВС-3000, а також рекомендації керівникові гасіння пожежі щодо застосування даних схем.

Основні положення дисертації викладено в роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

АНОТАЦІЇ

Дендаренко Ю.Ю. Радіальні водяні струмені-екрани для протипожежного захисту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – Гідравліка та інженерна гідрологія. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2004.

У роботі представлено теоретичне обґрунтування гідравлічних параметрів і характеристик радіальних водяних струменів-екранів, використання яких дозволяє здійснити захист сусідніх з палаючим вертикальних сталевих резервуарів для зберігання нафти і нафтопродуктів ємністю до 3000 м3 від теплового випромінювання факела полум’я.

Захист резервуарів від дії теплового потоку полягає у встановленні між палаючим і кожним з ним сусідніми резервуарами радіальних водяних струменів-екранів, які поглинають та екранують теплову енергію, спрямовану на металевий борт об’єкта захисту, внутрішнє середовище якого заповнене нафтою, нафтопродуктом або їхніми парами у суміші з повітрям.

Даний спосіб захисту резервуарів відрізняється від традиційного тим, що його активний період триває без безпосередньої участі персоналу підрозділів пожежно-рятувальної служби, що дозволяє забезпечити їхню безпеку в умовах впливу небезпечних факторів пожежі. При цьому витрата води на відміну від традиційної методики скорочується до 80%.

Ефективність радіальних водяних струменів підтверджена експериментами, що проводилась у лабораторних і полігонних умовах. Результати експериментів підтвердили теоретичні положення дисертації.

Ключові слова: радіальний водяний струмінь-екран, вертикальний сталевий резервуар, тепловий потік, нафтопродукт.

Дендаренко Ю.Ю. Радиальные водяные струи-экраны для противопожарной защиты. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2004.

В работе представлено теоретическое обоснование гидравлических параметров и характеристик радиальных водяных струй-экранов, использование которых позволяет осуществить защиту соседних с горящим вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов от теплового излучения факела пламени.

Защита резервуаров от воздействия теплового потока заключается в установке между горящим и каждым соседним с ним резервуарами радиальных водяных струй-экранов, которые способны поглощать и экранировать тепловую энергию от факела пламени, направленную на металлический борт объекта защиты, внутренний объем которого заполнен нефтью, нефтепродуктом или смесью их паров с воздухом.

В качестве объекта защиты выбраны вертикальные стальные резервуары емкостью до 3000 м3 в силу того, что в соответствии с действующими строительными нормами резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов с указанной емкостью не оборудуются стационарной системой водяного орошения во время пожара.

Традиционная методика охлаждения соседних резервуаров во время пожара заключается в том, что на верхний пояс каждого соседнего с горящим резервуара подается вода компактными струями с большим расходом. При этом персонал подразделений пожарной охраны физически не защищен от воздействия опасных факторов пожара. Предлагаемый способ защиты резервуаров с нефтью и нефтепродуктами отличается от традиционного тем, что его активный период осуществляется без непосредственного участия персонала подразделений пожарной охраны, что позволяет обеспечить их безопасность в условиях воздействия опасных факторов пожара. При этом расход воды в отличие от традиционной методики сокращается до 80%.

Геометрические параметры радиальной водяной струи были рассчитаны под вертикальный стальной резервуар емкостью до 3000 м3, на основании которых был изготовлен насадок на пожарный лафетный ствол для создания такой струи.

Задача об оценке пожароопасности резервуара с нефтью или нефтепродуктом включает в себя вопросы нестационарной передачи тепла конвекцией к стальной стенке резервуара, ее содержимому и от нее; распределения температур в этой системе, а также подогрев среды внутри резервуара. Этот подогрев важен не только сам по себе, но он еще оказывает значительное влияние на величину теплоотдачи от стенки резервуара к внутренней среде. При решении указанных задач был применен численный метод прогонки. При этом рассчитывался послойный подогрев стенки резервуара за промежуток времени, равный размерному шагу по времени. Описанный в работе алгоритм решения теплотехнической задачи далее был использован для проведения численных исследований.

Для обоснования эффективности радиальной водяной струи в работе проведены теоретические расчеты с целью определения гидравлических параметров и характеристик щелевых распылителей на примере насадка на пожарный лафетный ствол для создания таких струй. В результате проведенных расчетов определены теоретические зависимости расхода воды QВ ,2510-5Ї? и давления на насадке Р ,42109Q2В, которые позволяют определить характеристики насадков практически в любом режиме их работы.

В диссертации проведен расчет оптимальных значений параметров сегмента распыла воды насадка для создания радиальных водяных струй: исследованы линейные зависимости дальности струи от ширины сегмента распыления, дальности струи от высоты щели сегмента распыления, высоты струи от ширины сегмента распыления, высоты струи от высоты сегмента распыления.

Рассмотрены особенности применения разработанных моделей и определена чувствительность их исходящих характеристик.

В работе произведено математическое моделирование взаимодействия элементов системы „горящий резервуар – радиальная водяная струя – соседний резервуар”, в результате которого получены теоретические данные температурного режима прогрева металлической стенки резервуара, имеющие достаточно плотную сходимость на качественном уровне. Кроме того, важным обстоятельством является то, что температура, полученная в результате теоретических вычислений, превышает экспериментальные данные, что, в свою очередь, дает возможность утверждать: разработанная модель позволяет оценить эффективность радиальной водяной струи „сверху”.

Экспериментальная часть работы проводилась в три этапа: проверка эффективности радиальной водяной струи в лабораторных условиях с использованием натурного прототипа насадка в масштабе 1:3; проверка эффективности струи в полигонных условиях; определение основных гидравлических параметров радиальной водяной струи (расход воды, длина струи, высота струи и др.). Результаты экспериментов подтвердили данные теоретических расчетов и показали, что радиальная водяная струя снижает температуру в зоне теплового воздействия с +300–350 С до +20–25 С при температуре воздуха +10 С.

Разработаны рациональные схемы расстановки сил и средств подразделений пожарной охраны для осуществления защиты соседних с горящим вертикальных стальных резервуаров емкостью до 3000 м3 от теплового потока с использованием насадков на пожарный лафетный ствол для создания радиальных водяных струй-экранов, которые учитывают разнообразные варианты развития пожара в группе резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов на 4-6 единиц в обваловании с пожаром в 1-3 РВС-3000, а также рекомендации руководителю тушения пожара по использованию данных схем.

Ключевые слова: радиальная водяная струя-экран, вертикальный стальной резервуар, тепловой поток, нефтепродукт.

Dendarenko Y.Y. Radial Water Jets-Screens for Fire Protection. - Manuscript.

The dissertation is submitted for Candidate of Engineering Sciences degree, speciality 05.23.16 –and Engineering Hydrology. Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2004.

Theoretical substantiation of hydraulic parameters and characteristics of radial water jets-screens is represented in the work. Usage of these jets-screens allows to protect vertical steel tanks for storage of oil and petroleum with the capacity of up to 3000 м3, situated next to burning ones, from thermal radiation of the torch of the flame.

Protection of tanks against the thermal flow consists in establishing between the burning and each neighbouring tank the radial water jets-screens, that absorb and shield the thermal energy, directed on the metal board of the object of protection, inner environment of which is filled with oil, petroleum or their vapours mixed with air.

The given method of protection differs from traditional ones: active period lasts without direct participation of personnel from fire protection units, that ensures their safety under the influence of dangerous fire factors. Discharge of water reduced up to 80%.

The efficiency of radial water jets is proved by experiments carried out in the laboratory and on the fire-tactical range. The results of experiments have confirmed the theoretical points of the dissertation.

Key words: the radial water jet-screen, vertical steel tank, thermal flow, petroleum.