МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ
академія пожежної безпеки україни
кріса іван якимович
УДК 613.842
ідентифікація осередків самозігрівання
рослинної сировини, які спричиняють пожежі на
підприємствах переробки та зберігання
Спеціальність 21.06.02 - Пожежна безпека
а в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
харків - 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Академії пожежної безпеки України.
Науковий керівник | доктор фізико-математичних наук, професор ольшанський Василь Павлович,
Академія пожежної безпеки України МНС України (м. Харків), начальник кафедри прикладної механіки
Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор соловей Віктор Васильович,
Інститут проблем машинобудування НАН України (м. Харків), завідуючий відділом енергоустановок
кандидат технічних наук, доцент
Тищенко Олександр Михайлович,
Черкаський Інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля (м. Черкаси), проректор з наукової роботи
Провідна установа | Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України (м. Київ)
Захист дисертації відбудеться “22 ” квітня 2004 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Академії пожежної безпеки України, за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Академії пожежної безпеки України, за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.
Автореферат розісланий “19” березня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої
ради Кривцова В.І.
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. На практиці найбільш часто для попередження надзвичайних ситуацій використовують системи термоконтролю сировини. Однією з причин їх низької ефективності є великий крок розміщення датчиків (термопар) і малі значення коефіцієнтів теплопровідності та температуропровідності сировини. Внаслідок значної віддаленості від датчиків локалізовані осередки термічної активності, де виникають значні температури самозігрівання і найбільш ймовірне самозаймання, можуть не попадати в зону ефективного термоконтролю. У таких випадках система контролю занижує фактичні значення температури в масиві і не дає інформації про наявність аварійного стану. Тому може здаватись доцільним зменшення кроку розміщення датчиків. Але це призводить до ускладнення і значного здороження системи. Крім того, велика кількість датчиків створює незручності при завантажуванні та розвантажуванні сировини, бо при цих операціях датчики можуть одержати механічні пошкодження і вийти з ладу, що знижує надійність системи. Таким чином, постає задача вибору раціонального кроку розміщення термодатчиків, яка потребує вивчення особливостей локалізованих температурних полів в дисперсних середовищах з малою теплопровідністю.
Альтернативою збільшенню кількості датчиків може стати досконала система комп’ютерної обробки інформації, яка дозволяє відновити повну картину температурного поля за даними вимірювань температури в окремих точках масиву. Це задача реконструкції температурного поля. При її розв’язанні повинні бути знайдені місця локалізації осередків самозігрівання, їх теплофізичні параметри (розміри, потужності, тощо), а також області, де досягаються найвищі температури самозігрівання. Ці дані дозволяють спростити ліквідацію можливої аварійної ситуації адресним подаванням охолоджуючих речовин та флегматизаторів.
Отже, вдосконалення методів діагностики термічної активності при зберіганні сировини є актуальною науковою і практичною задачею. Її розв’язання пов’язане з розробкою методів реконструкції температурних полів, що дозволить підвищити рівень пожежної безпеки підприємств агропромислового комплексу, покращити умови зберігання сировини, зменшити її втрати при пере-робці та зберіганні.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження проводилося в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: “Методи та технічні засоби забезпечення пожежної безпеки елеваторів” (№ ГР 0199U001650) та “Дослідження температурних полів самозігрівання сировини в силосах елеваторів” (№ ГР 0100U004311).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення системи виявлення пожежонебезпечної ситуації при зберіганні рослинної сировини шляхом розробки методів і засобів комп’ютерної діагностики локалізованих осередків самозігрівання.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:
- розробити нові, більш точні у порівнянні з існуючими, моделі стаціонарних температурних полів самонагрівання сировини при наявності в ній локалізованих термоджерел різних форм і розмірів;
- виявити особливості стаціонарних температурних полів у залежності від умов теплообміну, форми осередка і місця його розміщення в масиві сировини;
- дослідити температурні поля, при наявності декількох осередків самонагрівання, встановити умови, коли можна обчислювати надлишкову температуру в околі одного осередка без урахування наявності (впливу) сусідніх термоджерел;
- розробити метод визначення координат центра та розмірів осередка самозігрівання, його питомої і загальної потужностей тепловиділення, а також точок екстремальних значень надлишкової температури у масиві сировини; створити програмне забезпечення до персонального комп’ютера для реалізації розробленого методу; провести апробацію методу шляхом порівняння результатів ідентифікації параметрів осередка різними способами, а також порівнянням теоретичних результатів з експериментальними;
- провести числові експерименти та виробити рекомендації щодо практичного використання запропонованих комп’ютерних програм при оцінці пожежної небезпеки самонагрівання в конкретних умовах.
Об'єктом досліджень є температурні поля, які виникають при самозігріванні рослинної сировини.
Предмет досліджень - осередки самозігрівання як чинники пожеж, способи визначення їх теплофізичних параметрів і місць локалізації в масиві сировини.
Методи дослідження ґрунтуються на використанні рівнянь теплопровідності до опису температурних полів у масивах сировини при її самозігріванні. Розв’язок прямих задач теплопровідності здійснюється методом функцій Гріна, а також шляхом розкладання в ряди за власними функціями крайової задачі Штурма-Ліувіля. Прискорення збіжності тригонометричних рядів, а також рядів Фурє-Бесселя, проводиться методом Кумера-Крилова. Для дослідження взаємовпливу декількох осередків у масиві використовується принцип суперпозиції. При розв’язанні зворотних задач теплопровідності застосовується розроблений в дисертації спеціальний метод послідовного звуження інтервалів. Він є основним при проведенні ідентифікації осередків самозігрівання та реконструкції температурних полів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
1. Вперше запропонована методика розрахунку температурних полів самозігрівання сировини з використанням аналітичних розв’язків одно, двох та трьохвимірних крайових задач, де, на відміну від відомих досліджень, що проводились на моделях нескінченних чи одновимірних масивів, враховуються розміри і форма масиву сировини, розміри і форма осередка самозігрівання, розподіл термоджерел у ньому, умови теплообміну масиву сировини з навколишнім середовищем та ін. Запропонована математична модель теплового поля дозволяє розглядати випадки самонагрівання сировини не тільки в силосах і бункерах, тобто при наявності твердих стінок споруди, а також при зберіганні її на відкритому повітрі (скирти сіна, соломи й ін.).
2. Вперше поставлено і розв’язано задачі про розподіл надлишкової температури при наявності декількох локалізованих осередків. Визначено умови, коли розрахунок надлишкової температури в околі якого-небудь осередка можна проводити без урахування впливу сусідніх термоджерел.
3. Запропоновано нову формулу для розрахунку кроку розстановки термодатчиків у системі термоконтролю, яка дозволяє обчислювати потрібну їх кількість у залежності від характеристик масиву сировини.
4. Розроблено метод реконструкції стаціонарного температурного поля, що дозволяє будувати модель температурного поля за даними вимірювань температури в окремих точках. При реконструкції підлягають ідентифікації чотири параметри системи, серед яких можуть бути не тільки параметри осередка самозігрівання, а й коефіцієнти теплопровідності та тепловіддачі сировини.
5. Вперше при проведенні ідентифікації осередків самозігрівання використана нелінійна форма методу найменших квадратів, у якій апроксимаційними залежностями є аналітичні розв’язки прямих задач теплопровідності з невідомими константами. Такий вибір апроксимуючих виразів краще інших узгоджується з фізичною суттю процесу.
6. Розроблена принципова схема експериментальної установки для визначення коефіцієнта теплопровідності та тепловіддачі рослинної сировини, яка ґрунтується на використанні одержаного аналітичного розв’язку зворотної задачі теплопровідності.
7. Створено спеціальний алгоритм і програмне забезпечення числового розв’язання зворотних задач стаціонарної теплопровідності. Його універсальність і ефективність підтверджена числовими експериментами.
Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати дозволяють науково-обґрунтовано підійти до проектування систем контролю температури рослинної сировини раціональним розміщенням термодатчиків у масиві. Використання розроблених методів і програмного забезпечення дає можливість знаходити зони термічної активності, де відбувається інтенсивне виділення вибухонебезпечних газів, оцінювати їх кількість у залежності від розмірів нагрітих зон, визначати місця досягнення максимальних температур, де
найбільш ймовірне самозагорання сировини, тобто оцінювати пожежну небезпеку самозігрівання в конкретних умовах. Розроблені програми дозволяють обчислювати положення центру осередка самозігрівання, його розміри і потужність тепловиділення. Ця інформація потрібна для розрахунку кількості речовин і засобів припинення термічної активності, а також для використання засобів їх адресної доставки до осередка.
Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійною науково-дослідною роботою здобувача. Вона привела до одержання наукових результатів, викладених у дисертації та відбитих у наукових публікаціях. Здобувачем проведено: аналіз сучасного стану пожежної безпеки на підприємствах зберігання і переробки рослинної сировини; огляд науково-технічних підходів до розв’язання проблеми самонагрівання рослинної сировини; розробку теоретичних моделей температурних полів, що виникають при самозігріванні [1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 19], побудову розв’язку прямих задач стаціонарної теплопровідності у вигляді рядів прискореної збіжності [1, 2, 7, 9, 10, 13, 14], дослідження особливостей температурних полів, породжених локалізованими осередками різних форм [2, 6, 11, 15]; розробку методу реконструкції температурного поля масиву [1, 2, 17, 18, 20]; написання пакета комп’ютерних програм, які дозволяють визначати параметри осередків та інші теплофізичні характеристики за результатами вимірювань температури в окремих точках масиву; розробку практичних рекомендацій щодо застосування одержаних наукових результатів з метою поліпшення умов зберігання сировини та своєчасного виявлення аварійних ситуацій на підприємствах агропромислового комплексу [1, 16].
Апробація результатів роботи. Дисертаційна робота та окремі її положення доповідались і одержали позитивну оцінку на наукових семінарах АПБУ (м. Харків, 2000-2003), на міжнародній конференції “Крупные пожары: предупреждение и тушение” (м. Москва, 2001); на V міжнародній конференції “Пожежна безпека” (м. Львів, 2001), на VI міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна безпека-2003” (м. Харків, 2003).
Публікації. Основні наукові положення і результати дисертаційних досліджень опубліковані у двох монографіях, у 19 наукових статтях, із яких 17 у виданнях, включених у перелік ВАК України та у 3 тезах доповідей конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списка використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 176 сторінок, у тому числі 147 сторінок основного тексту, 12 рисунків, 17 таблиць, 138 найменувань використаних джерел та двох додатків.
основний зміст роботи
У першому розділі розглянуто особливості самозігрівання та самозаймання рослинної сировини. Подано перелік речовин, схильних до цих явищ, вказано основні причини їх виникнення. Відзначено, що першопричиною самозігрівання за певних умов є термічна активність мікроорганізмів та окислення рослинної сировини. При досягненні температури біля 700С мікроорганізми гинуть, але процес наростання температури може проводжуватись внаслідок подальшої взаємодії органічної речовини з киснем. У ході піролізу починається виділення горючих газів і відбувається процес самозаймання. Особливістю горіння є те, що осередок горіння ізольований шарами сировини з низькою теплопровідністю. Це ускладнює виявлення місця його дислокації та розмірів.
Проводиться аналіз математичних моделей температурних полів. Показано, що для обчислень температури самозігрівання можна використовувати лінійні рівняння теплопровідності.
Значні успіхи у цьому напрямі досягнуті завдяки роботам Абрамова Ю.О., Вогмана Л.П., Горшкова В.І., Дегтярьова О.Г., Кірочкіна О.Ю., Ольшанського В.П., откидача Д.М., сергунова В.С. та інших дослідників.
Для досягнення поставленої в дисертації мети потрібне розв’язання зворотних задач теплофізики, бо саме воно дає можливість ідентифікації параметрів осередка самозігрівання та проведення реконструкції температурного поля. У зв’язку з цим, у першому розділі дається короткий огляд основних робіт, присвячених зворотнім задачам. Відзначаються дослідження Аліфанова О.М., Артюхіна Є.О., Коздоби Л.О., Круковського П.Г., Маляренка В.А., Мацевітого Ю.М., Мултановського О.В., Лушпенка С.Д., Нікітенка М.І., Симбірського Д.Ф., Слесаренка А.П., Тьомкіна А.Г., Шумакова М.В., Arnold K., Bec J., Patricia K., Sparrow E., Stolz G. та інших вчених. Оскільки зворотні задачі відносяться до класу некоректних за Адамаром, їх регуляризація здебільшого проводилась методами, які належать Тихонову А.М. і Лаврентєву М.М. Інтенсивні дослідження зворотних задач теплопровідності в останні десятиріччя були зумовлені потребами авіа- та ракетобудування, енергетичного й хімічного машинобудування, термообробки матеріалів та ливарного виробництва. Проведення ідентифікації осередків самозігрівання потребує нових нетрадиційних постановок зворотних задач та нових методів їх розв’язання, особливо коли розглядаються стаціонарні температурні поля.
Далі подано опис систем, найбільш поширених на практиці, для термоконтролю сировини. Наведено їхні технічні характеристики й можливості, тому що результати вимірювань повинні служити вхідною інформацією при проведенні ідентифікації.
Крім термоконтролю, розглядаються також інші підходи до раннього виявлення самозігрівання. Йдеться про газовий та електрохімічний методи. Відзначаються їх недоліки й переваги.
Виходячи з проведеного аналізу стану проблеми, у заключній частині першого розділу формулюється мета й дається постановка задач дисертаційного дослідження, а також обґрунтування, вибору для досліджень стаціонарного режиму самозігрівання.
У другому розділі розроблено одновимірну модель розподілу температури по висоті масиву сировини. Вона орієнтована на розрахунки надлишкової температури пластового самозігрівання сировини у силосах, висота яких значно більша ніж розміри горизонтального поперечного перерізу. Розподіл надлишкової температури Т = Т(х) по вертикальній координаті х (рис. 1) описується диференціальним рівнянням
Рис. 1. Розрахункова схема
одновимірного масиву
сировини | . (1)
У ньому ; - коефіцієнт теплопровідності сировини; , F - відповідно периметр та площа поперечного перерізу масиву; - коефіцієнт тепловіддачі; - питома потужність тепловиділення в осередку самозігрівання.
На торцях та розглядаються різні варіанти граничних умов:
ідеальної тепловіддачі -
(2)
ідеальної термоізоляції -
, (3)
змішаний - (4)
та третього роду -
. (5)
Тут h0 і hl - коефіцієнти тепловіддачі.
У випадку, коли один локалізований осередок знаходиться в середині масиву, розподіл пропонується знаходити без урахування граничних умов (модель нескінченного одновимірного масиву). Виходячи з розрахункової схеми, де початок вісі ох перенесено в центр осередка, розв’язок рівняння (1) одержано методом функції Гріна і подано у вигляді
при (6)
та . (7)
З’ясовано, для яких щільностей термоджерел розподіл температури виражається в елементарних функціях і одержано такі розв’язки.
Із формули (7) випливає важливий висновок про те, що за межами осередка самозігрівання незалежно від щільності спадання температури описується функцією ехр. Тобто розподіл надлишкової температури за межами осередка інваріантний до розподілу питомої потужності в термоджерелі самозігрівання.
Розв’язки крайових задач, які відповідають рівнянню (1) та крайовим умовам (2), (3), (4), подано у вигляді
; ; , (8)
де - сталі (незалежні від х) величини.
Збіжність рядів (8) прискорена методом Кумера-Крилова, що значно спростило обчислення .
У випадку граничних умов третього роду (5) розв’язок рівняння (1) розкладемо в ряд
де - сталі множника, а - невід’ємні корені трансцендентного рівняння
.
Проведенням числових експериментів встановлено, що при віддаленні краю осередка від торця масиву на відстань (рис. 1)
(9)
обчислення надлишкової температури в ньому з похибкою меншою 1% можна вести за формулами, які одержані для нескінченного одновимірного масиву. Отже, нерівністю (9) визначено область застосування моделі нескінченного одновимірного масиву.
Числові експерименти підтвердили також можливість урахування торцевого термоефекту за допомогою моделі напівнескінченного масиву.
Розглянуто розподіл у сировині при наявності декількох пластових осередків. Установлено умови, коли можна нехтувати впливом одного з них на значення температури в іншому. Такою умовою є наявність відстані х12 між ними
,
де - товщини пластових осередків; - щільності термоджерел в них; - допустима похибка розрахунку.
У кінці другого розділу виведено нову формулу для обчислення кроку розстановки термодатчиків у системі контролю
.
Тут Т - поріг чутливості датчика; - коефіцієнт спотворення, який дорівнює відношенню приросту температури сировини в точці постановки датчика до приросту температури в осередку, коли вона має критичне значення .
Третій розділ дисертації присвячено розробці методів ідентифікації параметрів пластових осередків самозігрівання та визначенню місць їх дислокації в масиві сировини на базі одновимірної моделі.
Ураховуючи значну залежність результатів ідентифікації від значень і h, розроблена схема установки для експериментально-розрахункового визначення коефіцієнтів теплопровідності та теплообміну сировини. Вона подана на рис. 2 і на відміну від інших, розроблена “під конкретний аналітичний розв’язок зворотної задачі теплопровідності”, який вдалося побудувати у дисертації.
Її складовою частиною є плоский електронагрівач 1, вмонтований через термоізолятор 2 у корпус 3. За допомогою різьбових з’єднань 4 корпус поздовжується двома циліндрами 5. В них містяться рухомі поршні 7 діаметром . В одному з циліндрів вмонтовано два термодатчики 8 на відстанях х1 і х2 від нагрівача. За допомогою балона зі стисненим повітрям через штуцери 11 створюється тиск у порожнинах 9 за поршнями. Він вимірюється манометром 10. Змінюючи тиск, можна вивчати його вплив на теплофізичні характеристики сировини 6.
Для визначення параметрів і h треба знати потужність нагрівача Q, діаметр циліндра d та надлишкові температури сировини Т1 і Т2. За цими даними:
Рис. 2. Схема установки для визначення і h:
1 – плоский електронагрівач, 2 – термоізолятор, 3 – корпус, 4 – різьбові
з’єднання, 5 – поздовжувальні циліндри, 6 – сировина, 7 – рухомі поршні,
8 – термометри, 9 – порожнини за поршнями, 10 – манометр, 11 - штуцери
; ; .
Основним здобутком у третьому розділі дисертації є розробка методу послідовного звуження задаваних інтервалів (МПЗЗІ) для проведення ідентифікації та реконструкції температурного поля. За своєю суттю це метод підбору. Перебір варіантів проводиться на дискретній множині розв’язків прямих задач теплопровідності за критерієм мінімума суми квадратів відхилень замірених (заданих) та обчислених температур у точках виміру.
МПЗЗІ дозволяє наближено розв’язувати не тільки строго визначені, а й перевизначені зворотні задачі теплофізики.
Розробленим методом ідентифіковано параметри однорідного й неоднорідного пластових осередків. На моделі нескінченного одновимірного масиву проведено порівняння результатів ідентифікації, одержаних за допомогою МПЗЗІ та шляхом точного аналітичного розв’язання оберненої задачі теплофізики. Показана висока відповідність результатів, одержаних різними методами.
Шляхом проведення числових експериментів досліджено вплив похибок вимірювань температури на результати ідентифікації. Показано, що для зменшення цього впливу краще задавати осереднені значення виміряних температур, ніж осереднювати результати ідентифікації параметрів осередка за неосередненими значеннями температур.
Далі проведено порівняння теорії з експериментом. Для цього використано результати вимірювань температури у масиві шрот, які одержано для плоского нагрівача в дисертації**) Альбощий В.М. Разработка методов и средств пожарной безопасности хранилищ растительного сырья // Дис. ... канд. техн. наук: 21.06.02. - Харьков,2000. - С. 54 (рис. 2.15).). Експериментально знайдені *) значення безрозмірного температурного параметра наведено у таблиці.
Таблиця
Експериментальні та теоретичні значення безрозмірного температурного
параметра
, см | (хі) | (хі), см | (хі)(хі)0,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 6,75 | 0,27 | 0,27 | 0,27 | 0,50 | 0,85 | 0,86 | 0,89 | 8,00 | 0,23 | 0,24 | 0,23 | 1,75 | 0,69 | 0,65 | 0,68 | 9,25 | 0,19 | 0,22 | 0,20 | 3,00 | 0,53 | 0,50 | 0,52 | 10,50 | 0,18 | 0,19 | 0,18 | 4,25 | 0,41 | 0,41 | 0,41 | 11,75 | 0,16 | 0,17 | 0,16 | 5,50 | 0,32 | 0,34 | 0,33 | - | - | - | - |
У третьому розділі за допомогою МПЗЗІ, на базі розв’язку рівняння (1), обчислення зведено до формули
.
Одержані за нею значення (хі) вказано в таблиці. Вони краще узгоджуються з експериментальними , ніж теоретичні результати В.М.Альбощого, бо дають меншу суму квадратів відхилень (2,010-3 проти 4,210-3).
Четвертий розділ присвячено ідентифікації та реконструкції двовимірних температурних полів. Розглядається два варіанти таких полів. Перший відповідає стержньовому самозігріванню масиву сировини, що має прямокутний поперечний переріз. Розподіл температури в ньому в декартовій системі координат хоу описується рівнянням
,
де - погонна (на одиницю висоти) щільність термоджерел.
Побудовано розв’язки, коли однорідний стержньовий осередок має прямокутний або еліпсоїдальний (коловий) поперечні перерізи.
Другий варіант двомірного температурного поля відповідає осесиметричному самозігріванню циліндричного масиву сировини гніздовим осередком циліндричної форми. Розрахункова схема масиву показана на рис. 3. Поле надлишкової температури в циліндричній системі координат roz описується диференціальним рівнянням
Рис. 3. Гніздовий осередок
у циліндричному масиві | .
Його розв’язок за певних граничних умов подається рядом Фур’є-Бесселя.
Використовуючи побудовані розв’язки прямих задач, далі за допомогою МПЗЗІ проводиться ідентифікація параметрів осередків. Вона здійснена для стержньового осередка прямокутного та еліптичного поперечних перерізів у масиві сировини прямокутної форми. Проведено також визначення параметрів однорідного й неоднорідного пластових осередків у циліндричному масиві. |
Отже, за підсумками досліджень, проведених у четвертому розділі встановлено, що МПЗЗІ можна успішно використовувати для ідентифікації осередків самозігрівання у двохвимірному температурному полі. Показано що внаслідок реконструкції поля можна знайти максимальні температури в ньому і з’я-сувати ступінь пожежної небезпеки самозігрівання сировини в місцях найбільш ймовірного її самозаймання.
П’ятий розділ присвячено ідентифікації осередків та реконструкції трьохвимірного температурного поля. Йдеться про самозігрівання масиву сировини, що має форму прямокутного паралелепіпеда (рис. 4). Використовується декартова система координат xyz, а поле надлишкової температури описується рівнянням
(10)
Розглянуто гніздовий осередок такої ж форми, як і форма масиву. Розв’язок рівняння (10) за певних граничних умов знайдено у вигляді подвійно
Рис. 4. Розрахункова схема масиву у
вигляді прямокутного паралелепіпеда | го ряду Фур’є. Досліджено вплив різних чинників на значення температури самозігрівання. На персональному комп’ютері, за допомогою МПЗЗІ, проводиться ідентифікація параметрів гніздового кубічного та пластових прямокутних осередків. Числові експерименти підтвердили можливість успішного використання МПЗІ для проведення ідентифікації осередків та реконструкції тривимірного температурного поля. Останнє дозволяє визначити місця найбільш ймовірного самозаймання рослинної сировини.
ВИСНОВКИ
У роботі одержано нові науково-обгрунтовані результати, які у сукупності забезпечують вирішення поставленої науково-практичної задачі по вдосконаленню системи виявлення пожежонебезпечної ситуації при зберіганні рослинної сировини шляхом розробки методів та засобів комп’ютерної діагностики локалізованих осередків самозігрівання. При цьому:
1. Проведено аналіз причин аварій на підприємствах зберігання і переробки рослинної сировини та показано, що самозігрівання сировини спричинило багато пожеж і вибухів.
2. Установлено, що існуючі засоби контролю процесу самозігрівання сировини не забезпечують повної інформації про нього, особливо про місця виникнення локалізованих осередків, їх форми, розміри, теплотворчу спроможність. Тому актуальна модернізація існуючих технічних систем термоконтролю сировини створенням і впровадженням підсистеми оперативного визначення параметрів внутрішніх термоджерел та реконструкції температурних полів за результатами вимірювань температури в окремих точках масиву.
3. Розроблено нові моделі теплових полів самозігрівання сировини у стаціонарному режимі. Показано, що в залежності від умов самозігрівання, розподіл надлишкової температури можна описувати за допомогою одно, двох і трьохвимірних рівнянь теплопровідності з урахуванням втрат тепла у навколишнє середовище.
4. У формі рядів прискореної збіжності побудовано розв’язки прямих одновимірних, двовимірних і тривимірних задач теплопровідності, які надалі використано для проведення ідентифікації параметрів осередків та реконструкції температурних полів. Для одновимірних задач ці ряди вдалось звести до замкнених форм розв’язків, а у випадках задач більшої розмірності – понизити кратність рядів на одиницю, тобто звести подвійні ряди до одинарних, а потрійні – до подвійних.
5. Вивчено особливості температурних полів. Розрахунками виявлено існування таких форм осередків, які в сімействі конформних рівнопотужних термоджерел дають найбільші температури самозігрівання. Вивчена залежність надлишкової температури від теплофізичних характеристик сировини, а також розмірів і форми масиву. Показано, що зі збільшенням коефіцієнта теплопровідності сировини знижається надлишкова температура масиву. Щоб зменшити температуру самозігрівання сировини в стаціонарному режимі при фіксованому об’ємі масиву треба вибирати його розміри так, щоб було найбільшим відношення граничної площі поверхні до об’єму. Це в першу чергу стосується сировини, яка зберігається на відкритому повітрі (стоги сіна, соломи, тощо.).
6. Досліджено теплові поля насипу з декількома пластовими осередками. Встановлено умови, при виконанні яких з заданою похибкою можна обчислювати температуру в околі якого-небудь осередка без урахування впливу сусідніх термоджерел.
7. Розроблена схема установки для теоретико-експериментального визначення коефіцієнтів теплопровідності та тепловіддачі. Вона передбачає вивчати залежність цих характеристик від виду сировини, його вологості, спресованості, температури та інших чинників.
8. Створено числовий метод послідовного звуження задаваних інтервалів (МПЗЗІ) для ідентифікації параметрів осередка і реконструкції температурного поля. Складено алгоритм та пакет програм для його комп’ютерної реалізації. Ці програми дозволяють на комп'ютері знаходити параметри і місця дислокації різних осередків самозігрівання у масивах циліндричної та прямокутної форми, а також визначати параметрів пластових осередків на основі одновимірної моделі масиву. На багатьох прикладах підтверджена ефективність МПЗЗІ та його комп’ютерного забезпечення. Шляхом порівняння результатів ідентифікації, одержаних для окремих задач числовим і аналітичним методами, показано, що МПЗЗІ дозволяє з високою точністю (до трьох знаків після коми) наблизитьсь до точного розв’язку зворотної задачі теплопровідності. Проведено порівняння теоретичних і експериментальних результатів. Їх збіжність підтвердила адекватність розроблених теоретичних моделей.
9. Вивчено вплив похибок вимірювань вхідних температур та інших параметрів на результати ідентифікації. Підтверджено, що зворотні задачі, які розв’язуються в дисертації, теж відносяться до класу некоректних, а запропонований МПЗЗІ забезпечує одержання наближених регуляризованих рішень. Виявлено, що похибки вимірювань значно впливають на результати ідентифікації параметрів осередка (особливо питомої потужності) і в меншій мірі на результати реконструкції температурного поля. Дано рекомендації, як краще проводити осереднення при проведенні ідентифікації, щоб зменшити вплив похибок вимірювань.
10. Винесений у додаток пакет комп'ютерних програм “Poshuk” доцільно впровадити в роботу пожежної охорони при створенні регіональної служби підрозділів з профілактики й гасіння пожеж на підприємствах зберігання та переробки рослинної сировини. Він прискорить діагностику самозігрівання і дасть можливість використати засоби адресної подачі охолоджуючих речовин і флегматизаторів при усуненні аварійної ситуації.
11. Розроблені програми комп’ютерної діагностики осередків самозігрівання впроваджено на Харківському міському комбінаті хлібопродуктів № 2 та у навчальному процесі АПБ України. Користувачі підтвердили їх ефективність.
Основні положення дисертації опубліковані в роботах:
1. Криса И.А., Ольшанский В.П. Идентификация параметров очагов самонагревания растительного сырья в стационарном режиме. - К.: Пожинформтехника, 2002. - 152 с.
2. Криса И.А., Ольшанский В.П. Стационарные температурные поля при самонагревании растительного сырья (их расчет и реконструкция). - К.: Пожинформтехника, 2003. - 296 с.
3. Криса И.А., Ольшанский В.П. О взаимном влиянии пластовых очагов при установившемся самонагревании сырья // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. ХИПБ. – Вып. 7. – Харьков: Фолио, 2000. – С. 112-117.
4. Криса И.А., Мамон В.П., Ольшанский В.П. К вычислению температуры пластового самонагревания сырья в установившемся режиме // Науч.-техн. сб.: Коммунальное хозяйство городов. -Вып. 23. - К.: Техніка, 2000. -С. 222-227.
5. Криса И.А., Елизаров В.В., Ольшанский В.П. Расчет температуры самонагревания сырья несколькими очагами // Вісник інженерної академії України. - № 2. - 2000. - С. 40-43.
6. Криса И.А., Ольшанский В.П. Стационарное температурное поле самонагревания сырья гнездовым очагом // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Вып. 8. - Харьков: Фолио, 2000. - С. 93-98.
7. Ольшанский В.П., Криса И.А., Мамон В.П. Сафронова А.П. Температурная задача установившегося самонагревания сырья несколькими очагами // Науковий вісник будівництва. -Вип. 9. - Харків: ХДТУБА, 2000. - С. 219-221.
8. Гуторов В.А., Криса И.А., Ольшанский В.П. Расчет температуры стационарного пластового самонагревания сырья в силосе // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: ХДПУ, 2000. - № 1. - С. 20-34.
9. Ольшанский В.П., Криса И.А., Мамон В.П., Чернобай Г.А. К расчету стационарного режима самонагревания сырья пластовым очагом // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. -Вып. 103. - Харьков: ХГПУ, 2000. - С. 86-90.
10. Криса И.А., Ольшанский В.П. Температурная задача установившегося стержневого самонагревания сырья в силосе прямоугольного сечения // Інтегровані технології та енергозбереження. - № 1. - 2001. - С.67-76.
11. Криса И.А., Мамон В.П., Ольшанский В.П., Сафронова А.П. Установившееся температурное поле стержневого самонагревания сырья в прямоугольном силосе // Науч.-техн. сб.: Коммунальное хозяйство городов.- Вып. 30. - К.: Техніка, 2001. - С. 261-268.
12. Ольшанский В.П. Криса И.А. Стационарное температурное поле трехмерного массива насыпи, порожденное сферическим очагом // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Вып. 9. - Харьков: Фолио, 2001. - С. 141-149.
13. Ольшанский В.П., Криса И.А. Стационарное температурное поле цилиндрического массива сырья, порожденное очагом такой же формы // Інтегровані технології та енергозбереження. - № 3. - Харків: ХДПУ, 2001. - С. 82-89.
14. Ольшанский В.П. Криса И.А. Мамон В.П. Установившееся температурное поле цилиндрического массива сырья, вызванное цилиндрическим очагом самонагревания // Науч.-техн. сб.: Коммунальное хозяйство городов. - Вып. 33. - К.: Техніка, 2001. - С. 276-280.
15. Гуторов В.А.. Криса И.А., Ольшанский В.П. Стационарная темпера-турная задача самонагревания сырья в прямоугольном силосе // Вестник НТУ (ХПИ). - № 4. - 2001. - С. 32-38.
16. Криса И.А. О влиянии размеров и формы массива на температуру самонагревания сырья в установившемся режиме // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Вып. 11. - Харьков: Фолио, 2002. - С. 131-133.
17. Криса И.А., Мамон В.П., Ольшанский В.П. Компьютерная идентификация параметров пластового очага при стационарном самонагревании прямоугольного массива сырья // Науковий вісник будівництва. - Вип. 17. - Харків: ХДТУБА, 2002. - С. 88-92.
18. Криса И.А., Ольшанский В.П. Определение параметров и места локализации пластового очага при стационарном самонагревании прямоугольного массива сырья // Науковий вісник УНДІ ПБ. - № 1 (5). - 2002. - С. 76-79.
19. Криса И.А., Ольшанский В.П., Чернобай Г.А. Температурная задача установившегося самонагревания цилиндрического массива сырья несколькими очагами // Проблемы пожарной безопасности. Сб. науч. тр. АПБ Украины.- Вып. 12. - Харьков: Фолио, 2002. - С. 116-120.
20. Криса И., Ольшанский В. К определению параметров и места локализации пластового очага при стационарном режиме самонагревания растительного сырья // Пожежна безпека. - № 3. – 2002. - С. 8-10.
21. Криса И.А., Ольшанский В.П. К расчету установившейся температуры самонагревания прямоугольной насыпи гнездовым очагом // Пожаровзрывобезопасность. - № 5. – 2001. - С. 40-44.
22. Криса И.А., Ольшанский В.П. Дослідження стаціонарних температурніх полів, що виникають при самозігріванні сировини // Пожежна безпека: Збірник наукових праць (матеріали V міжнародної конференції). - Львів: Сполон, 2001. - С. 465-466.
23. Криса И.А., Ольшанский В.П. Исследование стационарных температурных полей самонагревания сырья // Крупные пожары: предупреждение и тушение. Материалы XVI научно-практической конференции. - М., 2001. - С. 104-105.
24. Ольшанский В.П., Криса И.А. Об идентификации очагов самонагревания растительного сырья // Пожарная безопасность, 2003. Материалы VI научно-практической конференции. - Харьков: АПБУ, 2003. - С. 136.
анотації
Кріса І.Я. Ідентифікація осередків самозігрівання рослинної сировини, які спричиняють пожежі на підприємствах переробки та зберігання. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека, Академія пожежної безпеки України МНС України. Харків, 2004.
Дисертація присвячена вдосконаленню системи контролю термічної активності рослинної сировини при її зберіганні. Дослідження спрямовані на створення ефективної підсистеми обробки результатів вимірювань температури сировини технічною системою контролю, з метою оперативного виявлення місць локалізації осередків самозігрівання, обчислення їх розмірів та теплотворчої спроможності. Ця інформація допомагає раціонально використати відповідні засоби для запобігання та усунення аварійних пожежонебезпечних ситуацій на підприємствах переробки та зберігання рослинної сировини.
При створенні підсистеми розроблено нові, більш досконалі моделі локалізованих стаціонарних температурних полів самозігрівання рослинної сировини. Вивчено вплив різних чинників на температури самозігрівання. Запропоновано оригінальний метод послідовного звуження інтервалів для ідентифікації осередків самозігрівання та реконструкції температурних полів за результатами вимірювань температури в окремих точках масиву сировини. Складено алгоритм та спеціальні програми реалізації методу на персональному комп’ютері. У ході числових експериментів та порівнянь результатів розрахунків з результатами вимірювань температури сировини підтверджена адекватність моделей і ефективність запропонованих методик ідентифікації.
Ключові слова: самозігрівання рослинної сировини; прямі й зворотні задачі теплопровідності; осередки самозігрівання як чинники пожеж; ідентифікація осередків; реконструкція температурного поля.
Криса И.Я. Идентификация очагов самонагревания растительного сырья, вызывающих пожары на предприятиях переработки и хранения. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность, Академия пожарной безопасности Украины МЧС Украины. Харьков, 2004.
Диссертация посвящена повышению эффективности системы контроля термической активности растительного сырья при его хранении. Существующие технические системы термоконтроля дают фрагментальную информацию о значениях температуры в массиве сырья, вследствие измерения ее в отдельных точках. В ходе дискретного контроля могут оставаться неизвестными (неизмеренными) максимальные и близкие к ним температуры, если они достигаются вдали от термодатчиков. Поэтому диссертационное исследование направлено на создание подсистемы эффективной обработки результатов измерений температуры, поступающих от системы термоконтроля. Поставлена задача определения (идентификации) параметров локализованных очагов самонагревания сырья, мест их дислокации, а также восстановления полной картины температурного поля массива по данным измерений температуры в его отдельных точках (задача реконструкции поля). Такая информация позволяет рационально использовать средства адресной доставки охлаждающих веществ и флегматизаторов для предотвращения и устранения аварийных ситуаций, вызванных самонагреванием сырья.
При решении поставленной задачи разработано новые, более совершенные модели стационарных температурных полей с локализованными внутренними термоисточниками. В них учтены: размеры и формы массивов сырья, его теплофизические параметры, аналогичные параметры и мощности тепловыделения очагов, потери тепла в окружающую насыпь среду. Путем аналитического решения прямых краевых задач теплопроводности получены удобные выражения для расчета значений избыточной температуры, когда известны параметры очагов самонагревания. Но последние, как правило, неизвестны. Их приходиться находить путем решения обратных задач теплопроводности. С этой целью разработан оригинальный метод последовательного сужения задаваемых интервалов (МПСЗИ). Он позволяет численно решать как строго определенные, так и переопределенные обратные задачи стационарной теплопроводности, когда число вводимых исходных значений замеренных температур больше числа идентифицируемых параметров. Благодаря приближению в среднем (по методу наименьших квадратов) МПСЗИ позволяет путем алгоритмизированного перебора находить приближенные регуляризованные решения некорректных обратных задач. В итоге удается определить основные параметры очага самонагревания, место его дислокации в массиве сырья, а также провести реконструкцию температурного поля.
Компьютерная реализация МПСЗИ осуществлена с помощью специально составленных программ. Исследовано влияние погрешностей измерений температуры на результаты идентификации. На отдельных примерах проведено сравнение результатов идентификации, полученных разными методами. Показано, что МПСЗИ позволяет с высокой точностью найти решение обратной задачи теплопроводности. В ходе числовых экспериментов, а также малыми расхождениями теоретических и экспериментальных результатов подтверждена адекватность предложенных моделей и эффективность разработанных методов идентификации.
Созданная путем синтеза решений прямых и обратных задач теплопроводности подсистема компьютерной диагностики температурного поля сырья при его самонагревании внедрена на Харьковском государственном комбинате хлебопродуктов № 2, в учебном процессе Академии пожарной безопасности Украины и в научно-исследовательском процессе УкрНИИПБ.
Ключевые слова: самонагревание растительного сырья; прямые и обратные задачи теплопроводности; очаги самонагревания как источники пожаров; идентификация очагов; реконструкция температурного поля.
Кrisa I.J. Identification of the sites of self-heating of the vegetative raw material, causing fires at the enterprises of processing and storage. - the Manuscript.
The Dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 21.06.02 - fire safety, Academy of fire safety of Ukraine, Ministries of Emergency Measures of Ukraine. Kharkov, 2004.
The Dissertation is devoted to the increase of effectiveness of the control system of thermal activity of vegetative raw material at its storage. The purpose of researches is creation of an effective subsystem of result processing of temperature measurements of raw material by technical system, for operative detection of places of localized sites of self-heating, calculation of their sizes and capacity of heat creation. This information rationally helps to use the appropriate means for prevention and liquidations of emergency fire-dangerous situations at the enterprises where processing and storage of vegetative raw material take place.
While creating a subsystem it is developed new, more perfect, models of located stationary temperature fields of self-heating vegetative raw material. Influence of various factors on temperatures of self-heating is investigated. It is offered an original method of consecutive narrowing of set intervals for identification of the sites of self-heating and reconstruction of temperature fields by results of measurements of temperature in separate points of a file of raw material. It is made algorithm and special programs of realization of a method on the personal computer. In the course numerical experiment and comparisons of calculative temperature with results of its measurements adequacy of the offered models and efficiency of the developed methods of identification is confirmed.
Key words: self-heating of vegetative raw material; direct and return problems of heat conductivity; the sites of self-heating as sources of fires; identification of the sites; reconstruction of a temperature